红外光子晶体光纤传能系统的方案设计与仿真

摘要

随着人们对红外技术的深入研究，CO2激光器得到了快速的发展，并以其优越的性能应用于医疗、军事、激光加工等各领域。但在能量传输过程中因为传输媒介的影响无法达到预期的效果。近年来，人们期望光纤代替传统的传输媒介用于传输CO2激光能量。国内外对红外光纤的材料和结构进行了广泛的研究，并取得了一定的成果。而相比较于传统光纤，光子晶体光纤具有耦合效率高、弯曲损耗和非线性低、色散可控等优点而成为热门的研究课题。如何设计和实现红外光子晶体光纤高效传输CO2激光能量系统，从而实现CO2激光更广泛的应用具有重大的研究意义。
　　本文选取了低功率的CO2激光器，设计红外扩束系统和聚焦透镜，将激光高效地耦合到2红外光子晶体光纤中。设计三角晶格带隙型空芯光子晶体光纤作为红外传能光纤，光纤的材料选用10.6μm波段处具有良好透过性的碲砷硒玻璃(Te20As30Se50)，利用平面波法和全矢量有限元法讨论光子晶体光纤的带隙和损耗特性，通过改变光纤参数中的占空比、包层层数、空气孔半径进行仿真计算，根据损耗变化规律，最终得到一种晶格常数为7.5μm，占空比为0.78，纤芯半径为27μm，包层层数为8层的可用于传输CO2激光能量的红外光子晶体光纤。
　　在考虑激光器与光纤的耦合中，首先运用红外扩束系统对激发光束进行准直。然后用光学软件Zemax对汇聚透镜参数和耦合效率进行计算仿真，多次优化后得到透镜的结构参数1r为32.8mm，2r为-90.6mm，透镜厚度为3mm，透镜的半径为10mm，有效焦距BFL为34.1mm，激光光束耦合进光纤的最大理论耦合效率可达到93.7％。最后提出基于光子晶体光纤的红外传能系统的总体框图，并对损耗进行分析和估算，对红外光子晶体光纤传输CO激光能量有实际的指导意义。

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第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2光子晶体光纤

1.3论文的研究重点和内容安排

第二章 数值计算方法

2.1红外光子晶体光纤的数值分析方法

2.2全矢量有限元法的理论分析

2.3激光与光纤的耦合

2.4本章小结

第三章 红外光子晶体光纤的设计及特性研究

3.1光纤材料的选取

3.2光纤结构的选取

3.3红外光子晶体光纤的带隙特性

3.4红外光子晶体光纤的损耗特性

3.5本章小结

第四章CO2 激光器与光子晶体光纤耦合的研究

4.1 CO2激光器

4.2 CO2激光器到光纤的耦合系统设计

4.3本章小结

第五章 红外传能系统的设计、性能、应用分析

5.1系统部件的参数选取

5.2系统部件损耗分析计算

5.3CO2激光的其它应用

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢