增益—折射率复合导引大模场光纤的设计、制备与增益特性研究

发布时间：2018-03-28 19:24

本文选题：光纤激光器　切入点：大模场光纤　出处：《南京邮电大学》2016年博士论文

【摘要】：增益导引-折射率反导引(GG-IAG)光纤作为一种新型大模场光纤的有效解决方案,从2003年提出至今一直受到研究者的广泛关注。本论文结合GG-IAG光纤的基本工作机理,通过理论设计与仿真,研究了其激光阈值性能;在此基础上,提出了增益导引-折射率交叉导引、增益导引-折射率交替导引两种改进型的大模场光纤结构,并建立了相应的理论模型,得到了一系列创新性研究成果;设计制备出掺钕磷酸盐增益导引-折射率反(正)导引大模场光纤,对其激光性能进行了系统的研究,具体工作如下:1.在传统的激光器速率方程理论的基础上,提出了新的改进型速率方程并应用于GG-IAG大模场光纤的结构设计与仿真。通过解析解法,求得在单端泵浦和侧面均匀泵浦条件下,掺钕磷酸盐GG-IAG光纤激光器的阈值特性,研究了阈值特性与光纤参数之间的关系,给出了降低激光器阈值的优化方案。2.针对GG-IAG光纤端面泵浦效率低的问题,提出并建立了改进型的增益导引-折射率交叉导引光纤结构模型。首次通过解析法,推导得到增益导引-折射率交叉导引光纤激光器在双端泵浦条件下的阈值特性。结果显示:增益导引-折射率交叉导引光纤激光器阈值比GG-IAG光纤的阈值有所降低,从而改进了激光器的输出特性。3.首次提出了增益导引-折射率交替导引大模场光纤结构的概念,建立了相应的理论模型并构建边界条件。通过对光纤结构参数的设计,可以保证其模场直径在与GG-IAG光纤相同的条件下,仍然保持光的单模传输特性。研究了其在前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦条件下,泵浦光和信号光的传输规律及其激光输出特性;研究结果显示,与GG-IAG光纤相比,增益导引-折射率交替导引光纤的激光阈值显著降低,输出激光效率明显提高,解决了GG-IAG光纤输出效率低下的问题,为实际应用奠定了理论基础,丰富了GG-IAG光纤的理论体系。建立了增益导引-折射率交替导引大模场光纤三维温度分布函数,研究了其在稳态作用下,温度随光纤半径方向和长度方向的分布特征,研究结果为光纤激光器的散热提供解决方案。4.对增益导引-折射率反(正)导引光纤预制棒的纤芯和包层材料进行了设计制备。研究了钕离子掺杂浓度对激光玻璃光谱性能的影响规律,通过J-O理论和Mc Cumber理论等对光谱参数进行了计算表征,得到了光谱性能优良的纤芯玻璃材料。通过对玻璃配方设计调整,匹配了折射率反(正)导引光纤的包层材料,有效控制了纤芯和包层材料在光学性能、温度性能和机械性能等各方面的融合性。通过管棒法制备了增益导引-折射率反(正)导引大模场光纤预制棒,并拉制了230μm-790μm范围内几种不同直径的光纤,对光纤的光学性能进行了的测试分析。开展了光纤激光器实验研究,但没有实现激光输出,主要原因是光纤的损耗较大,以及腔内存在的光纤端面的菲涅尔反射损耗、衍射损耗等因素导致激光阈值较高,且泵浦光的利用率也较低。开展了增益导引-折射率反(正)导引光纤放大器实验研究,增益导引-折射率反(正)导引光纤在脉冲泵浦光平均功率为0.65mW时,光信号放大效率达9.67%/cm(10.2%/cm)。
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【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248;TN253

【参考文献】