面向高功率激光应用的大模场面积微结构光纤的研究

摘要

随着光纤激光器输出功率的迅速提高，非线性效应已成为限制光束质量和输出功率提升的主要障碍，同时，有效传输波导的缺乏也限制着高功率激光应用系统的发展。微结构光纤以其灵活的结构设计和传统光纤无法比拟的优异特性，为高功率激光系统急需的大模场面积光纤提供了一条有效的实现途径。本论文在国家自然科学基金项目、北京交通大学优秀博士创新基金项目、欧盟框架计划项目的共同资助下，面向高功率光纤激光器小型化、集成化发展的迫切需求，以及高功率激光传输波导匮乏的现状，从结构创新及制备可行性出发，开展大模场面积微结构光纤及大芯径空芯光子带隙光纤的研究。取得的主要创新成果如下:
　　1.提出一种实际微结构光纤端面几何结构重建模型，与有限元分析模型相结合，建立起实际微结构光纤特性分析模型。通过建立全变差-小波去噪模型，有效去除微结构光纤截面图像噪声;采用基于卡尔曼滤波的点扩散函数估计模型，在有效保持空气孔边缘信息的同时，高精度复原微结构光纤图像。利用所建立的模型，对两种商用微结构光纤的光纤特性进行了分析，分析结果表明所建立的分析模型可以快速准确地评估微结构光纤特性，实现了微结构光纤特性的快速、低成本的评估。
　　2.首次提出并成功研制出一种矩形晶格的大模场面积微结构光纤。特性分析表明所研制光纤在工作波长2μm处，平直状态下模场面积高达2471μm2。在弯曲半径为30 cm时，光纤为单模运转，基模弯曲损耗仅为0.0015 dB/m，并且弯曲后基模模场面积为2349μm2，弯曲后的模场面积减小量仅为3.7％，其抗弯曲形变指标明显优于现有报道。在波长2μm处，实际测得弯曲半径30 cm时，光纤弯曲损耗仅为0.062 dB/m。
　　3.提出一种含有泄漏通道的三角芯大模场面积微结构光纤。结构设计中，仅采用两种尺寸接近的圆空气孔，降低制作难度。在工作波长1.064μm，弯曲半径30 cm的状态下，光纤为单模运转，基模弯曲损耗仅为0.0025 dB/m，模场面积为815μm2;并且将可维持单模运转的弯曲方向角范围拓展至4±55°。而目前已报道的非对称包层微结构光纤可维持单模运转的弯曲方向角范围仅为士7°。
　　4.提出一种改进型的三角芯大模场面积微结构光纤。引入掺氟棒代替最内圈大空气孔，进一步降低制作难度，提升模场面积。在分析结构参数及弯曲特性之间关联性的基础上，优化结构参数。在工作波长1.064μm处，弯曲半径为30 cm时，光纤为单模运转，基模模场面积为1154μm2。相比于改进前结构，弯曲状态下的模场面积增加340μm2，并将单模运转的弯曲方向角范围拓展至±180°，彻底摆脱了弯曲方向的限制。
　　5.提出一种具有multi-trench芯结构的大模场面积光纤，突显出multi-trench芯结构在调制模场分布、抑制弯曲形变、保证单模特性方面的重要性。在工作波长1.064μm处，弯曲半径15 cm时光纤为单模运转，模场面积达1100μm2。而现有报道的multi-trench光纤在弯曲半径小于20 cm时模场面积难以突破890μm2。在此基础上，又提出一种改进型结构，将弯曲半径15 cm处对应的单模模场面积提升至1310μm2。
　　6.提出一种适用于测量空芯光子带隙光纤宽带色散的相位提取方法，并搭建起基于Mach-Zehnder干涉仪的色散测量系统。结合峰值点和中心对称点的判定，直接从干涉谱中提取相位信息。针对所研制的纤芯直径26μ的19 cell空芯光子带隙光纤，实际测量得到在1400 nm至1630 nm带宽范围内的基模色散曲线，并首次实际测量得到四条高阶模色散曲线。实验测量结果与理论仿真结果吻合。

目录

致谢

摘要

1 绪论

1．1 微结构光纤概述

1．2 大模场面积微结构光纤

1．2．1 大模场面积微结构光纤的发展现状

1．2．2 大模场面积微结构光纤面临的挑战

1．3 空芯光子带隙光纤

1．3．1 空芯光子带隙光纤的发展现状

1．3．2 空芯光子带隙光纤在高功率激光传输中的应用

1．4 本文的主要工作

2 微结构光纤特性分析模型

2．1 引言

2．2 有限元分析模型

2．2．1 基本原理

2．2．2 边界条件选取

2．3 实际微结构光纤特性分析模型

2．3．1 光纤几何结构重建模型

2．3．2 全变差-小波去噪模型

2．3．3 图像退化和复原模型

2．3．4 基于卡尔曼滤波的PSF估计和复原

2．3．5 实际微结构光纤特性分析

2．4 小结

3 矩形晶格大模场面积微结构光纤

3．1 引言

3．2 矩形晶格大模场面积微结构光纤

3．2．1 弯曲等效折射率模型

3．2．2 光纤结构设计

3．2．3 参数优化

3．2．4 弯曲特性

3．3 矩形晶格大模场面积微结构光纤制作及测试

3．3．1 光纤制作

3．3．2 实际光纤特性分析

3．4 小结

4 三角芯大模场面积微结构光纤

4．1 引言

4．2 具有泄漏通道的三角芯大模场面积微结构光纤

4．2．1 光纤结构设计

4．2．2 弯曲特性

4．2．3 容差分析

4．3 改进型三角芯大模场面积微结构光纤

4．3．1 光纤结构设计

4．3．2 参数优化

4．3．3 弯曲特性

4．3．4 容差分析

4．4 小结

5 具有multi-trench芯的大模场面积光纤

5．1 引言

5．2 Multi-trench光纤基本结构及特性

5．2．1 Multi-trench光纤基本结构

5．2．2 Multi-trench光纤弯曲特性

5．3 具有multi-trench芯的大模场面积光纤

5．3．1 光纤结构设计

5．3．2 Multi-trench芯对弯曲特性的影响

5．3．3 包层参数对弯曲特性的影响

5．3．4 容差分析

5．4 改进型multi-trench芯大模场面积光纤

5．4．1 光纤结构设计

5．4．2 参数优化

5．4．3 弯曲方向

5．5 小结

6 大芯径空芯光子带隙光纤特性研究

6．1 引言

6．2 空芯光子带隙光纤基本结构与特性

6．2．1 空芯光子带隙光纤基本结构

6．2．2 空芯光子带隙光纤基本特性

6．2．3 19cell空芯光子带隙光纤特性

6．3 空芯光子带隙光纤的色散测量

6．3．1 干涉法色散测量原理

6．3．2 相位提取算法

6．3．3 宽带色散测量

6．3．4 色散测量系统

6．3．5 基模色散测量

6．3．6 高阶模色散测量

6．4 小结

7 结束语

7．1 本论文的研究成果

7．2 下一步拟开展的工作

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

声明

学位论文数据集