掺镱、亚波长空芯及新型高非线性光子晶体光纤的研究

发布时间：2017-05-19 10:30

  本文关键词：掺镱、亚波长空芯及新型高非线性光子晶体光纤的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光子晶体光纤呈现出许多传统光纤难以实现的特性,如掺镱光纤的大模面积单模特性、小芯光纤的高非线性、色散可调性、高双折射、空芯光纤的光子带隙等,因而备受关注,成为光电子学和光学领域的研究重点。本文针对光子晶体光纤在光纤激光器、光通信和光纤传感等领域的研究及应用需求,开发其应用潜力,对多种新型光子晶体光纤的设计、制备及传输性能进行深入研究,主要包括：大模面积单模掺镱光子晶体光纤、亚波长空气孔传光的新型空芯光子晶体光纤、高非线性光子晶体光纤、三个和四个零色散波长光子晶体光纤。主要创新成果如下： 1.首次对大芯径掺镱光子晶体光纤各种模式有效折射率之间的关系进行了分析,给出了单模传输条件。利用有限元法和有效折射率法,分别对不同纤芯折射率及结构参数的大芯径掺镱光子晶体光纤的各个模式折射率进行了模拟,首次给出了单模传输时纤芯折射率与孔间距、空气填充比、纤芯直径等光纤结构参数所满足的关系。设计出了纤芯直径分别为50μm、100μm/150μm的大芯径单模掺镱光子晶体光纤。在掺镱光子晶体光纤设计、制备过程中,不仅可以调节纤芯材料折射率,还可以通过调节光纤的结构参数,得到大模面积单模传输,为光纤的设计和制备提供新的理论指导。 2.传统的化学沉积法很难制备纤芯与包层低折射率差的大芯径光纤,限制了大模面积单模光纤的发展。本文提出了一种制备掺镱光子晶体光纤的新方法,利用溶液掺杂-高温熔炼法制备高掺镱浓度石英玻璃。对光子晶体光纤的拉制工艺、拉制过程中温度场分布进行了研究,拉制出了多种新型光子晶体光纤。用掺镱石英玻璃作为纤芯制备光纤预制棒,拉制出了纤芯直径约为130μm的掺镱光子晶体光纤,对其光谱特性进行了实验测量,分析了其吸收光谱与荧光光谱,实现了良好的激光输出,为稀土掺杂光纤制备提供了新途径。 3.提出了一种亚波长空气孔传光的新型空芯光子晶体光纤,利用有限元方法分析了其模场分布、损耗和色散特性随光纤结构参数及波长的变化规律。首次根据光的衍射原理和光子晶体光纤的传输特性,对低折射空气孔传光的物理机理进行了解释。首次得到了亚波长空气孔低损耗、单模传输时,光子晶体光纤结构参数和波长的取值范围。设计出了一种优化的光子晶体光纤结构,其模场集中在纤芯微小空气孔中,限制损耗α=5.9×10-5dB/km。根据所设计的光纤结构参数,制备出了纤芯带有微小空气孔的光子晶体光纤,光在空气孔中高强度、长距离传输,为光与物质相互作用及非线性光学的研究提供了新条件。 4.利用分步傅里叶法求解非线性薛定谔方程,得到了光子晶体光纤输出光谱与结构参数及脉冲参数的关系,并进行了实验研究,理论与实验结果一致,阐明了非线性光谱产生的物理原理。首次对光子晶体光纤包层节区的传光特性进行了研究,对比了纤芯与包层节区传光的模场面积、非线性系数和色散特性,得到包层节区具有小纤芯面积、高非线性、双零色散波长的特点。研究了产生色散波的相位匹配特性,理论分析了色散波中心波长随泵浦功率和泵浦波长的变化规律。制备了所设计的光子晶体光纤,实验获得了可见和红外波段均大于300nm的宽带色散波,测量了色散波随泵浦功率和波长的变化情况。实验与理论分析结果一致,为超宽带连续光源和光波长变换的研究提供了新的理论基础。 5.首次对具有多个零色散波长光子晶体光纤的相位失配特性进行了理论分析,得到了相位匹配波长随泵浦波长及泵浦功率的变化规律。给出了具有多个零色散波长光纤的相位匹配曲线,分析了不同色散曲线对应的相位匹配波长特点。实验得到了相位匹配的四波混频光谱,其光谱特点与相位匹配理论分析一致。通过合理设计光子晶体光纤结构参数,得到了具有三个零色散波长的单模光纤。对纤芯中心带有一个微小空气孔光子晶体光纤的色散特性进行了分析,获得了具有四个零色散波长的色散曲线。具有多个零色散波长的光纤可以得到色散值极低的超平坦色散曲线。多个零色散波长光纤能产生全新的相位匹配曲线,会出现更多的四波混频波长,可以有效地控制光孤子、超短脉冲的四波混频及共振散射产生的光谱特性。
【关键词】：光子晶体光纤 掺镱光纤 空芯 色散 色散波 相位匹配
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 引言14-34
• 1.1 课题的研究背景和意义14-18
• 1.1.1 大模场掺镱PCF的研究14-15
• 1.1.2 亚波长空气孔传光PCF的研究15-16
• 1.1.3 色散和非线性方面的研究16-18
• 1.2 光子晶体光纤概述18-21
• 1.2.1 光子晶体光纤概念及分类18-19
• 1.2.2 光子晶体光纤的特性19-21
• 1.3 光子晶体光纤的制备21-26
• 1.3.1 稀土掺杂石英玻璃的制备21-23
• 1.3.2 光子晶体光纤的制备23-26
• 1.4 光子晶体光纤的研究现状26-32
• 1.4.1 掺镱光子晶体光纤的研究现状26-28
• 1.4.2 空芯光纤的研究现状28-29
• 1.4.3 光子晶体光纤色散特性的研究现状29-30
• 1.4.4 高非线性光子晶体光纤的研究现状30-32
• 1.5 论文的研究内容和结构安排32-34
• 2 大模面积单模掺镱光子晶体光纤的理论研究34-48
• 2.1 引言34-35
• 2.2 有效折射率方法分析大芯径掺镱PCF的单模条件35-36
• 2.3 归一化频率V随纤芯折射率及PCF结构的变化关系36-39
• 2.3.1 中心缺失一层空气孔的PCF37-38
• 2.3.2 中心缺失不同层空气孔的PCF38-39
• 2.4 大模面积单模掺镱PCF的设计39-40
• 2.5 有限元方法分析掺镱PCF单模传输条件40-43
• 2.5.1 有限元方法40-41
• 2.5.2 PCF单模条件分析41-43
• 2.6 掺镱PCF单模传输时纤芯折射率与结构参数的取值范围43-45
• 2.7 掺镱PCF中泵浦光传输的研究45-46
• 2.8 结论46-48
• 3 非化学汽相沉积法制备掺镱石英玻璃和光子晶体光纤拉制工艺的研究48-68
• 3.1 引言48-49
• 3.2 掺镱石英玻璃的材料选取49-50
• 3.3 掺镱石英玻璃光学特性分析方法50-52
• 3.4 掺镱石英玻璃的制备与测试52-53
• 3.5 PCF的制备53-65
• 3.5.1 PCF拉制过程54-55
• 3.5.2 PCF拉制过程中温度场分布的理论模型55-59
• 3.5.3 PCF拉制过程中温度场分布情况59-60
• 3.5.4 拉制的多种新型PCF及其传输特性分析60-65
• 3.6 掺镱PCF光学性能测试65-67
• 3.7 结论67-68
• 4 亚波长空气孔传光的新型空芯光子晶体光纤研究68-78
• 4.1 引言68
• 4.2 空芯PCF的模场分布和损耗特性随结构参数的变化规律68-74
• 4.2.1 模场分布和损耗随波长的变化69-70
• 4.2.2 模场分布和损耗随Λ的变化70-71
• 4.2.3 模场分布和损耗随d_c/Λ的变化71-73
• 4.2.4 模场分布和损耗随d/Λ的变化73
• 4.2.5 模场分布和损耗随空气孔层数N的变化73-74
• 4.3 空芯PCF的色散特性随结构参数的变化规律74-76
• 4.4 亚波长空气孔传光的空芯PCF设计76
• 4.5 纤芯带有微小空气孔PCF的制备76-77
• 4.6 结论77-78
• 5 光子晶体光纤包层节区宽带光谱产生的理论和实验研究78-98
• 5.1 引言78-79
• 5.2 光脉冲在光纤传输的理论79-84
• 5.2.1 光脉冲在光纤传输的基本方程推导79-83
• 5.2.2 分步傅立叶法求解非线性薛定谔方程83-84
• 5.3 PCF输出光谱与光纤结构参数及光脉冲参数的关系84-89
• 5.3.1 单个零色散波长PCF84-87
• 5.3.2 两个零色散波长PCF87-89
• 5.4 光子晶体光纤包层节区的传光特性研究89-92
• 5.4.1 所制备PCF的结构90
• 5.4.2 PCF纤芯与包层节区的模场面积和非线性系数90-91
• 5.4.3 PCF纤芯与包层节区的色散特性91
• 5.4.4 PCF色散波的相位匹配特性91-92
• 5.5 可见和红外宽带色散波的实验研究92-95
• 5.6 飞秒脉冲在PCF中传输的实验研究95-96
• 5.7 结论96-98
• 6 三个和四个零色散波长光子晶体光纤及其相位匹配特性的研究98-118
• 6.1 引言98
• 6.2 基于四波混频的相位匹配理论98-99
• 6.3 一个零色散波长PCF的相位匹配特性99-101
• 6.4 两个零色散波长PCF的相位匹配特性101-104
• 6.5 两个零色散波长PCF宽带四波混频光谱的实验研究104-105
• 6.6 三个零色散波长PCF105-111
• 6.6.1 三个零色散波长PCF的色散特性研究105-108
• 6.6.2 三个零色散波长PCF的相位匹配特性108-111
• 6.7 四个零色散波长PCF111-116
• 6.7.1 四个零色散波长PCF的色散特性研究111-114
• 6.7.2 四个零色散波长PCF的相位匹配特性114-116
• 6.8 结论116-118
• 7 结论118-120
• 参考文献120-132
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果132-136
• 学位论文数据集136

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 任国斌,王智,娄淑琴,简水生;光子晶体光纤的模式截止特性研究[J];电子学报;2004年08期

2 刘胜利;李乙钢;张炜;丁镭;闫培光;吕可诚;;高功率掺Yb~(3+)双包层光子晶体光纤超荧光光源[J];光电子·激光;2006年01期

3 苑金辉;侯蓝田;周桂耀;高飞;王康;;平坦色散高非线性光子晶体光纤的制备与实验[J];光电子.激光;2008年08期

4 李熙斌;柴路;张玉颖;胡明列;李小英;王清月;;光子晶体光纤中四波混频光谱增益特性的研究[J];光电子.激光;2009年02期

5 龚磊;尹飞飞;陈宏伟;陈明华;谢世钟;;基于光子晶体光纤四波混频的光波长变换[J];光电子.激光;2010年09期

6 陈伟;李诗愈;王冬香;罗文勇;黄文俊;柯一礼;;国产化大模场掺镱光子晶体光纤的设计与制备[J];光电子.激光;2010年10期

7 赵兴涛;郑义;刘晓旭;周桂耀;沈建平;周城;夏长明;侯蓝田;;利用非化学汽相沉积法制备掺Yb~(3+)光子晶体光纤的研究[J];光电子.激光;2011年09期

8 杨鹏;;高非线性光子晶体光纤的研制[J];光通信技术;2010年01期

9 陈伟;李进延;李诗愈;蒋作文;李海清;彭景刚;;高非线性光子晶体光纤及其超连续谱研究[J];光通信研究;2007年02期

10 李玮楠;邹快盛;陆敏;相里斌;;Yb~(3+)掺杂硅酸盐玻璃的制备及光谱性质[J];光谱学与光谱分析;2006年06期

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1 陈伟;掺稀土光子晶体光纤制备及其特性研究[D];华中科技大学;2011年

2 方晓惠;多芯光子晶体光纤飞秒激光系统及其在频率变换中的应用[D];天津大学;2010年

3 夏长明;掺镱石英玻璃及其光子晶体光纤的制备和特性研究[D];燕山大学;2012年

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本文编号：378472