面向高功率激光应用的大模场面积微结构光纤的研究
发布时间：2019-11-23 14:45
【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2 μm处,平直状态下模场面积高达2471 μm2。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2349 μm2,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815 μm2并且将可维持单模运转的弯曲方向角范围拓展至±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±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1.064 μm处,弯曲半径为30 cm时,光纤为单模运转,基模模场面积为1154 μm2。相比于改进前结构,弯曲状态下的模场面积增加340 μm2,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1.064 μm处,弯曲半径15 cm时光纤为单模运转,模场面积达1100 μm2。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1310 μm2。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26 μm的19 cell空芯光子带隙光纤,实际测量得到在1400 μm至1630 μm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。
【图文】：
图１．１微结构光纤截面图：（ａ）第一根微结构光纤，（ｂ）第一根光子带隙光纤，（ｃ）空芯光子带隙逡逑光纤，（ｄ）实芯光子带隙光纤．（０混合导光型微结构光纤，（ｄ）混合导光型微结构光纤逡逑１９９６年，Ｊ．Ｃ．邋Ｋｎｉｇｈｔ等人成功研制出第一根微结构光纤１＾１，其结构如图１．１（ａ）逡逑所示。虽然该光纤在结构上具有周期性排布的空气孔，但并不是真正基于光子带逡逑隙机制导光，而是基于与传统光纤导光机制类似的全内反射导光机制，被称为折逡逑射率导光型微结构光纤Ｗ。之所Ｗ如此，是由于光子带瞧的实现对包层微结构周逡逑期性要求严格，王艺较难实现；而折射率导光型微结构光纤对周期性要求并不严逡逑格，空气孔的引入只是起到降低并调控包层等效折射率的作用，工艺上更易于实逡逑现。随着制作工艺的发展，直到１９９８年，第一根利用光子带隙原理导光的光纤才逡逑成功研制出来如图１．１（ｂ）所示。该光纤具有蜂窝状的包层结构，并且晶格尺寸逡逑较小
为解决海呈：数据传送问题提供了一条可行途径。逡逑此外，在微结构光纤的空气孔中充入气体、液体或金属错膜，可有效调制光逡逑与物质相互作用，从而可Ｗ实现新型的光纤器件。如图１．２（ｅ）所示为２的３年Ｂ．逡逑Ｓｕｎ等人提出的含有银金属线的双芯微结构光纤ｔＭｌ。通过中也银金属的调制作逡逑用，６．３邋ｍｍ长的该微结构光纤可实现带宽１４６邋ｎｍ，消光比优于－２０犯的宽带偏振逡逑分束器。同时，空气孔中气体、液体等介质的填充还可ＷX椙糠窍咝宰饔眯Ч义辖岷峡缮杓剖迪值纳⑵教梗妫停臁⒘闵⒌阄灰疲簦鳎椤⑺闵⒌愕刃缕娴纳⑻劐义闲裕⒔峁构庀嗽诓ǔぷ唬保罚福澹罚梗薄⒊撞芗だ⑸涫芗ゅ义喜祭镌ㄉ⑸洌桑鳌椎确窍咝怨庀斯庋Я煊蚓哂兄匾挠τ谩＠纾玻埃保的辏粒义希牛恚椋铮欤铮龅热送ü谌缤迹保玻ǎ妫┧镜目招玖轿⒔峁构庀酥刑畛淝善竦昧隋义希保保冲澹睿碇粒保埃埃板澹睿淼某撞桑福樱薄ｅ五邋五义希ㄋ惧义厦鏦 灥逡逑暎灥媝逡逑（ｇ）逦（ｈ）逦（ｉ）逡逑图１．２典型的微结构光纤截面图：（ａ）大模场面积微结构光纤，（ｂ）Pt漏型谢结构光纤，（ｃ）用于逡逑生物传感的微结构光纤，（ｄ）空态光子带屾光纤
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253
本文编号：2565007
【图文】：
图１．１微结构光纤截面图：（ａ）第一根微结构光纤，（ｂ）第一根光子带隙光纤，（ｃ）空芯光子带隙逡逑光纤，（ｄ）实芯光子带隙光纤．（０混合导光型微结构光纤，（ｄ）混合导光型微结构光纤逡逑１９９６年，Ｊ．Ｃ．邋Ｋｎｉｇｈｔ等人成功研制出第一根微结构光纤１＾１，其结构如图１．１（ａ）逡逑所示。虽然该光纤在结构上具有周期性排布的空气孔，但并不是真正基于光子带逡逑隙机制导光，而是基于与传统光纤导光机制类似的全内反射导光机制，被称为折逡逑射率导光型微结构光纤Ｗ。之所Ｗ如此，是由于光子带瞧的实现对包层微结构周逡逑期性要求严格，王艺较难实现；而折射率导光型微结构光纤对周期性要求并不严逡逑格，空气孔的引入只是起到降低并调控包层等效折射率的作用，工艺上更易于实逡逑现。随着制作工艺的发展，直到１９９８年，第一根利用光子带隙原理导光的光纤才逡逑成功研制出来如图１．１（ｂ）所示。该光纤具有蜂窝状的包层结构，并且晶格尺寸逡逑较小
为解决海呈：数据传送问题提供了一条可行途径。逡逑此外，在微结构光纤的空气孔中充入气体、液体或金属错膜，可有效调制光逡逑与物质相互作用，从而可Ｗ实现新型的光纤器件。如图１．２（ｅ）所示为２的３年Ｂ．逡逑Ｓｕｎ等人提出的含有银金属线的双芯微结构光纤ｔＭｌ。通过中也银金属的调制作逡逑用，６．３邋ｍｍ长的该微结构光纤可实现带宽１４６邋ｎｍ，消光比优于－２０犯的宽带偏振逡逑分束器。同时，空气孔中气体、液体等介质的填充还可ＷX椙糠窍咝宰饔眯Ч义辖岷峡缮杓剖迪值纳⑵教梗妫停臁⒘闵⒌阄灰疲簦鳎椤⑺闵⒌愕刃缕娴纳⑻劐义闲裕⒔峁构庀嗽诓ǔぷ唬保罚福澹罚梗薄⒊撞芗だ⑸涫芗ゅ义喜祭镌ㄉ⑸洌桑鳌椎确窍咝怨庀斯庋Я煊蚓哂兄匾挠τ谩＠纾玻埃保的辏粒义希牛恚椋铮欤铮龅热送ü谌缤迹保玻ǎ妫┧镜目招玖轿⒔峁构庀酥刑畛淝善竦昧隋义希保保冲澹睿碇粒保埃埃板澹睿淼某撞桑福樱薄ｅ五邋五义希ㄋ惧义厦鏦 灥逡逑暎灥媝逡逑（ｇ）逦（ｈ）逦（ｉ）逡逑图１．２典型的微结构光纤截面图：（ａ）大模场面积微结构光纤，（ｂ）Pt漏型谢结构光纤，（ｃ）用于逡逑生物传感的微结构光纤，（ｄ）空态光子带屾光纤
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253
本文编号：2565007
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