摘 要

纳米光纤作为光子器件向纳米尺度发展的时代的产物，它能更好地适应于光学显微和生物传感技术。但是其性能和灵敏度仍有很大的提升空间。本论文旨在通过对纳米光纤中的光场和倏逝场进行理论仿真，为有效的提高传感器的性能和灵敏度和光学显微镜以及生物传感技术提供一定的科学参考。

本次设计主要利用Matlab软件对纳米光纤中的光场和倏逝场进行理论仿真。首先通过理论建模出纳米光纤的物理模型和传输模型，进而推导出纳米光纤中光场和倏逝场的分布方程，从而编写程序完成仿真并得出结论。

研究结果表明：纳米光纤中的光场主要集中在光纤的纤芯，而倏逝场则分布在光纤的包层。并且，纳米光纤直径越小，倏逝场所占的比例越大。

本文特色在于：在普通光纤的基础上，建立出纳米光纤的模型，并且根据模型使用Matlab软件仿真纳米光纤中的光场和倏逝场。

关键词：光纤光学；纳米光纤；光场；倏逝场

Abstract

As a product of the era of the development of photonic devices, nano optical fibers can be better adapted to optical microscopy and biological sensing technology. But its performance and sensitivity still have a lot of room for improvement. This thesis aims at the nanometer fiber optical field and the evanescent field simulation theory, and provide a scientific reference to effectively improve the sensor performance and sensitivity and optical microscope and biological sensing technology.

The design mainly uses Matlab software for simulation of the light field and the evanescent field in the nano fiber. First through theoretical modeling a nano fiber physical model and transmission model, and derived in the nano fiber optical field and evanescent field equation of the distribution of, to write a program to complete the simulation and draw a conclusion.

The results show that: in the nano fiber, optical field mainly concentrated in the core of the fiber, evanescent field distribution in the fiber cladding. Moreover, the smaller the diameter of nano fiber, evanescent place accounts for larger proportion.

The article features : on the basis of ordinary fiber, the establishment of a nano fiber model, and according to the model using Matlab software simulation of nano fiber of light field and the evanescent field.

Key words: fiber opticals; nano optical fibers; light field; evanescent field

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2背景及现状 1

1.3主要内容及章节安排 2

第2章 理论基础 3

2.1 纳米光纤的特性 3

2.1.1 纳米光纤的制备方式 3

2.1.2 纳米光纤的物理特性 4

2.1.3 用Maxwell方程分析纳米光纤的基本模型 4

2.1.4 纳米光纤的光学特性 7

2.2 光场和倏逝场的理论基础 8

2.3 本章小结 10

第3章 建模及仿真 11

3.1 建模分析 11

3.1.1 光在理想纳米光纤中传输建模分析 11

3.1.2 光纤锥形区建模分析 12

3.2 纳米光纤中的光场和倏逝场仿真及分析 14

3.2.1 不同直径纳米光纤中的光场和倏逝场的仿真 14

3.2.2 不同波长的光传输时光场和倏逝场的仿真 19

3.3 纳米光纤锥形区的光场和倏逝场仿真及分析 23

3.4 本章小结 24

第4章 结论 26

参考文献 28

附 录 29

致 谢 32

第1章 绪论

1.1目的及意义

光纤在现代光通信和光传感等领域有着十分重要的地位，随着光学器件的设计理论和制备工艺技术的高速发展，人们对光学仪器的要求也变得越来越高。相比于传统的光纤，其性能和功耗已经满足不了人们的需求。因此，将光学仪器微小化，集成化，并且使其向纳米尺度发展已经势不可挡。目前纳米光纤应用的领域主要有：光学显微以及光学传感领域。并且，纳米光纤传感器的性能与纳米光纤中的倏逝场所占比例息息相关，因此，研究纳米光纤中的光场和倏逝场，可以有效的提高传感器的性能和灵敏度，为光学显微以及生物传感技术提供一定的科学参考。

纳米光纤具有许多优良的特性：它纳米级别的直径便于集成化，并且纳米光纤的光学损耗低，可以传输倏逝波，抗性也相对较强。因此，它在集成光学、非线性光学、光学传感和原子波导等方面获得了广泛的应用。纳米光纤的单模损耗和弯曲损耗都非常小，因此可以利用用纳米光纤的这个优点制作微型光纤环谐振腔；与此同时，纳米光纤还具有大比例倏逝波传输性质，纳米光纤中的倏逝波能量比例可以高达百分之九十，因此，根据纳米光纤的倏逝波传输特性，还可以将纳米光纤应用于光学传感器^[1]。

尽管纳米光纤的优点很多，但是在当下，人们对纳米光纤方面的研究还不够全面和深入，尤其是在纳米光纤的倏逝波传输特性方面。因此，对于纳米光纤中的光场和倏逝场的研究还是非常有必要的。

1.2背景及现状

在国内，由浙江大学现代光学仪器实验室利用火焰加热蓝宝石控温一步拉伸法制备出了一种新型的纳米光纤。相较于其它光纤，该纳米光纤的传输损耗更小，并且长度更长^[2]。在如今关于纳米光纤的设计理论和制作工艺还不是特别完善的情况下，能够制作出光纤尺度达到纳米级别，并且的直径足够均匀，损耗低，长度足够长的纳米光纤，足以证明浙江大学现代光学实验室对于纳米光纤的设计以及制备工艺有着非常强大的理解和认知。与此同时，浙江大学MOI在光纤传感器的方面也颇有建树。由其研制出的物理化学传感器具有较高的灵敏度。该传感器是利用倏逝波的传输性质的原理研制而成，但是，该实验室没有详细研究纳米光纤中光场和倏逝场的分布和探究倏逝场所占比例的影响因素，因此，该光纤传感器的灵敏度还有提升的空间。

在国外，和浙江大学一样，哈佛Mazur组也对纳米光纤传感器及其最优化波导有一定的研究^[3]。由其研制出的纳米光纤的内芯的光滑程度已经接近了原子水平。这种纳米光纤的直径达到50nm，这就相当于普通标准光纤的二百分之一。因而，根据倏逝波传输的原理我们可以知道：这种纳米光纤在有光路传输时，在该纳米光纤的包层会有相当大比例的倏逝波传输，当纳米光纤接近一些化学试剂或者生物分子的时候，倏逝波的传输有一定的变化，通过测定这个变化就可以推断出化学试剂或者生物分子的情况。而随着光纤直径变小，倏逝波所占比例越大，倏逝波的变化也就变大，通过测定光波导来确定灵敏度的高低。因此，由哈佛大学研制的这种纳米光纤的灵敏度是相当高的。