大模場光纖波導(dǎo)特性的理論研究.pdf

1、高功率光纖激光器由于在效率、散熱和光束質(zhì)量方面的優(yōu)勢，在工業(yè)加工、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是目前國際上激光技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。然而，非線性效應(yīng)限制了高效率光纖激光器輸出功率的進(jìn)一步提高，抑制非線性效應(yīng)最直接的辦法就是采用大模場面積的光纖。但是光纖橫截面尺寸的增加，將導(dǎo)致光纖多模運(yùn)轉(zhuǎn)，并且抗彎曲性差，因此探索和設(shè)計(jì)抗彎曲、單模運(yùn)轉(zhuǎn)大模場光纖對高功率光纖激光器的發(fā)展具有重要的意義。
　　 本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下：

2、
　　 1.分析了增益導(dǎo)引光纖中，增益因子對折射率以及歸一化頻率的影響，得到了光纖中各階模式截止條件與芯包層折射率差和增益因子的關(guān)系。分析了腔鏡反射率對增益導(dǎo)引折射率反導(dǎo)引光纖激光器單模運(yùn)轉(zhuǎn)的影響，數(shù)值模擬了增益系數(shù)和負(fù)折射率差值對模場分布的影響，得出了設(shè)計(jì)百微米芯徑光纖的條件，以及增益對模式束縛因子的影響。
　　 2.采用有效折射率法、有效面積法和限制損耗法對光子晶體光纖的二階模和基摸的模式截止特性進(jìn)行了理論分析，得到

3、了光子晶體光纖單模運(yùn)轉(zhuǎn)的相位圖，并對三種方法進(jìn)行了比較。設(shè)計(jì)了新穎結(jié)構(gòu)八角格子光子晶體光纖，發(fā)現(xiàn)其基模分布形狀好，更接近圓形，相同面積填充率時(shí)單模運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域比六角排列的要寬，并且作為色散補(bǔ)償光纖更有優(yōu)勢。
　　 3.對大模場光子晶體光纖的彎曲特性進(jìn)行了理論研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)大模場光子晶體光纖彎曲時(shí)，光纖的模式發(fā)生畸變，彎曲半徑比較小時(shí)，光纖的歸一化傳播常數(shù)、模場面積急劇減小，并且空氣孔填充率越大，抗彎曲性越好。對于一定的波長，填充率不變

4、時(shí)，歸一化傳播常數(shù)和歸一化模場面積隨歸一化彎曲半徑的變化規(guī)律是相同的，這對于彎曲光子晶體光纖的模式擴(kuò)展具有重要意義。同時(shí)觀察到了彎曲損耗振蕩現(xiàn)象，用解析方法和有限差分法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩種方法吻合的較好。
　　 4.基于反諧振模型，將全固態(tài)光子帶隙光纖等效為一維平面波導(dǎo)，研究了其光譜圖和波長截至條件，采用平面波方法和有限元法對全固態(tài)光子帶隙光纖的帶隙特性、模式截止和損耗特性進(jìn)行了理論研究。計(jì)算了包層高折射率摻雜為環(huán)狀結(jié)構(gòu)全固態(tài)光

5、子帶隙光纖的損耗特性，結(jié)果表明通過增大內(nèi)環(huán)尺寸可以有效的減小光纖的彎曲損耗和限制損耗，為大模場光纖的設(shè)計(jì)開辟了新的途徑。
　　 5.研究了三種不同排列方式的雙芯光子晶體光纖模式分布、光纖結(jié)構(gòu)和纖芯距離等對耦合長度的影響，以及包層為圓角六邊形空氣孔光子帶隙光纖的耦合特性，并與相同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)圓空氣孔光子帶隙光纖耦合長度、無耦合情況進(jìn)行了比較。對雙芯環(huán)狀結(jié)構(gòu)全固態(tài)光子帶隙的耦合特性進(jìn)行了理論分析。分析了不同入射情況下三芯光子晶體光纖的