抗弯曲大模场少模瓣状光纤的研究
发布时间：2020-08-25 12:52
【摘要】：激光器的高速发展对输出功率提出了越来越高的要求。光纤激光器相比于传统激光器输出功率更大。但是光纤激光器中的非线性效应和模式不稳定损害了输出光束质量。大模场面积光纤因其低损耗、抗弯曲等优点,能够有效改善光纤激光器的输出光束质量并提高激光器的阈值功率而受到广泛的关注。本文主要研究和设计抗弯曲大模场光纤以期能提升光纤激光器的性能。本文从有限元法出发,利用有限元仿真软件进行仿真分析,通过对结果进行分析,深入研究了传统瓣状光纤、扇形瓣状光纤的性能,并创新性的设计了一种新型大模场面积光纤。本文的主要工作和创新成果如下:(1)分析了传统瓣状光纤(Segmented Cladding Fiber,SCF)的弯曲特性和模场面积随着SCF各个参数变化的趋势,并对SCF结构进行优化。当纤芯半径为20μm,弯曲半径为15cm时,SCF的模场面积为817μm2。光纤的最小高阶模和基模损耗比为38,具有良好的单模特性和较大的模场面积。(2)研究分析了 扇形瓣状光纤(Fan-segmented high index claddings SCF,FHC-SCF)的结构,分析并对比其弯曲特性和模场面积随着光纤参数变化的趋势,并对FHC-SCF进行结构优化。当光纤纤芯半径为20μm,弯曲半径为15cm时,模场面积为804μm2,最小高阶模和基模损耗比为40。(3)提出了一种沟槽辅助型扇形瓣状光纤(Trench-Assisted Fan-Segmented Cladding Fiber,TA-FSCF),并对比该光纤和SCF、FHC-SCF的性能。与SCF相比,当该TA-FSCF最小高阶模和基模损耗比与SCF相接近时,TA-FSCF的模场面积大于SCF的模场面积。与FHC-SCF对比,TA-FSCF的模场面积和最小高阶模和基模损耗比为均大于FHC-SCF。TA-FSCF的性能完全优于FHC-SCF。(4)分析了 TA-FSCF的弯曲性能和基模模场面积随着光纤结构参数的变化,优化光纤结构参数,设计性能比较均衡的抗弯曲大模场面积光纤。通过研究抗弯曲大模场面积光纤,优化光纤结构,设计出具有较大模场面积、良好单模特性的弯曲不敏感大模场面积光纤,这为光纤激光器的大功率输出提供了良好的基础和设计指导。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253
【图文】：
逦引言逡逑示［２３１。如图１－２邋（ｃ）所示，长春理工大学制作出了可以用于单模激光器输出的光子逡逑晶体光纤［２４］。虽然光子晶体光纤具有较大的模场面积以及良好的单模弯曲性能，逡逑但是ＰＣＦ光纤结构与普通光纤结构有较大的不同，对光纤预制棒的制备和光纤拉＇逡逑丝工艺提出了很高的要求，现有的工艺制作精度与光纤的理论模型建立存在比较逡逑大的差别，也会导致ＰＣＦ性能降低，并且很大一部分大模场面积光子晶体光纤还逡逑停留在理论实验阶段，离真正的实际应用还有一段距离。逦逦逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１－２光子晶体光纤截面图ｌ１３，２Ｗ３］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ＰＣＦｓ［１３，２２＇２３＾逡逑（３）
芯直径为３５ｐｍ的３Ｃ光纤实现２５０Ｗ的单模输出功率［２６］。２０１４年，马修泉等人［２７］逡逑设计了一种改进型的３Ｃ光纤，逡逑图１－３邋（ｂ）所示为其光纤结构示意图和光纤截面图，光纤中心为正八边形，在＇逡逑八边形的８个顶点处，螺旋围绕着８根侧芯，中心纤芯也随侧芯旋转，其纤芯直径逡逑扩展到５５ｐｍ，该改进３Ｃ光纤具有５７．１％激光斜率效率，光束质量因子Ｍ２为１．１２。逡逑然而，此光纤需要制作流程复杂，需要堆棒技术及特殊的拉丝工艺，制作难度较大逡逑且不易控制。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－３手性耦合纤芯光纤截面图１２５，２７］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋３Ｃ邋Ｆｉｂｅｒｓ＾２５邋２７＾逡逑（５）布拉格光纤逡逑２０世纪７０年代ＹｅｈＰｏｃｈｉ等人提出了布拉格光纤［２８］。该光纤的径向方向上的逡逑折射率呈高低交替周期性状态，而且布拉格光纤具有良好的模场面积扩展能力和逡逑抗弯曲特性其截面图如图１－４所示。逡逑图１－４布拉格光纤截面图Ｍ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋Ｂｒａｇｇ邋ｆｉｂｅｒｓ［３０］逡逑布拉格光纤的包层含有光子带隙（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ邋Ｂａｎｄ－Ｇａｐ，邋ＰＢＧ）光子晶体结构，该逡逑光纤是一种带隙引导型光纤，在导光原理、传输特性和光纤结构设计方面与普通光逡逑纤都有比较大的不同。布拉格反射原理是布拉格光纤实现单模传输的理论基础［３１］。逡逑通过周期性的折射率变化设计
图１２５，２７］逡逑
本文编号：2803714
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253
【图文】：
逦引言逡逑示［２３１。如图１－２邋（ｃ）所示，长春理工大学制作出了可以用于单模激光器输出的光子逡逑晶体光纤［２４］。虽然光子晶体光纤具有较大的模场面积以及良好的单模弯曲性能，逡逑但是ＰＣＦ光纤结构与普通光纤结构有较大的不同，对光纤预制棒的制备和光纤拉＇逡逑丝工艺提出了很高的要求，现有的工艺制作精度与光纤的理论模型建立存在比较逡逑大的差别，也会导致ＰＣＦ性能降低，并且很大一部分大模场面积光子晶体光纤还逡逑停留在理论实验阶段，离真正的实际应用还有一段距离。逦逦逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１－２光子晶体光纤截面图ｌ１３，２Ｗ３］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ＰＣＦｓ［１３，２２＇２３＾逡逑（３）
芯直径为３５ｐｍ的３Ｃ光纤实现２５０Ｗ的单模输出功率［２６］。２０１４年，马修泉等人［２７］逡逑设计了一种改进型的３Ｃ光纤，逡逑图１－３邋（ｂ）所示为其光纤结构示意图和光纤截面图，光纤中心为正八边形，在＇逡逑八边形的８个顶点处，螺旋围绕着８根侧芯，中心纤芯也随侧芯旋转，其纤芯直径逡逑扩展到５５ｐｍ，该改进３Ｃ光纤具有５７．１％激光斜率效率，光束质量因子Ｍ２为１．１２。逡逑然而，此光纤需要制作流程复杂，需要堆棒技术及特殊的拉丝工艺，制作难度较大逡逑且不易控制。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－３手性耦合纤芯光纤截面图１２５，２７］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋３Ｃ邋Ｆｉｂｅｒｓ＾２５邋２７＾逡逑（５）布拉格光纤逡逑２０世纪７０年代ＹｅｈＰｏｃｈｉ等人提出了布拉格光纤［２８］。该光纤的径向方向上的逡逑折射率呈高低交替周期性状态，而且布拉格光纤具有良好的模场面积扩展能力和逡逑抗弯曲特性其截面图如图１－４所示。逡逑图１－４布拉格光纤截面图Ｍ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋Ｂｒａｇｇ邋ｆｉｂｅｒｓ［３０］逡逑布拉格光纤的包层含有光子带隙（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ邋Ｂａｎｄ－Ｇａｐ，邋ＰＢＧ）光子晶体结构，该逡逑光纤是一种带隙引导型光纤，在导光原理、传输特性和光纤结构设计方面与普通光逡逑纤都有比较大的不同。布拉格反射原理是布拉格光纤实现单模传输的理论基础［３１］。逡逑通过周期性的折射率变化设计
图１２５，２７］逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前6条
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2 张红;大功率光纤激光合成的相干性研究[D];电子科技大学;2012年
本文编号：2803714
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