面向高功率激光應(yīng)用的大模場面積微結(jié)構(gòu)光纖的研究.pdf

1、隨著光纖激光器輸出功率的迅速提高，非線性效應(yīng)已成為限制光束質(zhì)量和輸出功率提升的主要障礙，同時(shí)，有效傳輸波導(dǎo)的缺乏也限制著高功率激光應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展。微結(jié)構(gòu)光纖以其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)光纖無法比擬的優(yōu)異特性，為高功率激光系統(tǒng)急需的大模場面積光纖提供了一條有效的實(shí)現(xiàn)途徑。本論文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京交通大學(xué)優(yōu)秀博士創(chuàng)新基金項(xiàng)目、歐盟框架計(jì)劃項(xiàng)目的共同資助下，面向高功率光纖激光器小型化、集成化發(fā)展的迫切需求，以及高功率激光傳輸波導(dǎo)匱乏的現(xiàn)

2、狀，從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及制備可行性出發(fā)，開展大模場面積微結(jié)構(gòu)光纖及大芯徑空芯光子帶隙光纖的研究。取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下:
　　1.提出一種實(shí)際微結(jié)構(gòu)光纖端面幾何結(jié)構(gòu)重建模型，與有限元分析模型相結(jié)合，建立起實(shí)際微結(jié)構(gòu)光纖特性分析模型。通過建立全變差-小波去噪模型，有效去除微結(jié)構(gòu)光纖截面圖像噪聲;采用基于卡爾曼濾波的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)估計(jì)模型，在有效保持空氣孔邊緣信息的同時(shí)，高精度復(fù)原微結(jié)構(gòu)光纖圖像。利用所建立的模型，對兩種商用微結(jié)構(gòu)光纖的光纖特性進(jìn)

3、行了分析，分析結(jié)果表明所建立的分析模型可以快速準(zhǔn)確地評估微結(jié)構(gòu)光纖特性，實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)光纖特性的快速、低成本的評估。
　　2.首次提出并成功研制出一種矩形晶格的大模場面積微結(jié)構(gòu)光纖。特性分析表明所研制光纖在工作波長2μm處，平直狀態(tài)下模場面積高達(dá)2471μm2。在彎曲半徑為30 cm時(shí)，光纖為單模運(yùn)轉(zhuǎn)，基模彎曲損耗僅為0.0015 dB/m，并且彎曲后基模模場面積為2349μm2，彎曲后的模場面積減小量僅為3.7％，其抗彎曲形變指標(biāo)

4、明顯優(yōu)于現(xiàn)有報(bào)道。在波長2μm處，實(shí)際測得彎曲半徑30 cm時(shí)，光纖彎曲損耗僅為0.062 dB/m。
　　3.提出一種含有泄漏通道的三角芯大模場面積微結(jié)構(gòu)光纖。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，僅采用兩種尺寸接近的圓空氣孔，降低制作難度。在工作波長1.064μm，彎曲半徑30 cm的狀態(tài)下，光纖為單模運(yùn)轉(zhuǎn)，基模彎曲損耗僅為0.0025 dB/m，模場面積為815μm2;并且將可維持單模運(yùn)轉(zhuǎn)的彎曲方向角范圍拓展至4±55°。而目前已報(bào)道的非對稱包層微結(jié)

5、構(gòu)光纖可維持單模運(yùn)轉(zhuǎn)的彎曲方向角范圍僅為士7°。
　　4.提出一種改進(jìn)型的三角芯大模場面積微結(jié)構(gòu)光纖。引入摻氟棒代替最內(nèi)圈大空氣孔，進(jìn)一步降低制作難度，提升模場面積。在分析結(jié)構(gòu)參數(shù)及彎曲特性之間關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。在工作波長1.064μm處，彎曲半徑為30 cm時(shí)，光纖為單模運(yùn)轉(zhuǎn)，基模模場面積為1154μm2。相比于改進(jìn)前結(jié)構(gòu)，彎曲狀態(tài)下的模場面積增加340μm2，并將單模運(yùn)轉(zhuǎn)的彎曲方向角范圍拓展至±180°，徹底擺脫了

6、彎曲方向的限制。
　　5.提出一種具有multi-trench芯結(jié)構(gòu)的大模場面積光纖，突顯出multi-trench芯結(jié)構(gòu)在調(diào)制模場分布、抑制彎曲形變、保證單模特性方面的重要性。在工作波長1.064μm處，彎曲半徑15 cm時(shí)光纖為單模運(yùn)轉(zhuǎn)，模場面積達(dá)1100μm2。而現(xiàn)有報(bào)道的multi-trench光纖在彎曲半徑小于20 cm時(shí)模場面積難以突破890μm2。在此基礎(chǔ)上，又提出一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，將彎曲半徑15 cm處對應(yīng)的單模模場