大模场光纤波导结构的优化设计

论文摘要

随着光纤材料、光纤器件以及集成技术的发展,光纤激光器输出功率已达到两万瓦水平,并因具有光束质量好、电光效率高、结构紧凑和热管理方便等优点,被广泛应用于先进制造、科学研究以及军事国防等领域。目前,非线性效应、模式不稳定等问题限制了光纤激光器输出功率的进一步提升,同时严重影响了其在高功率条件下工作时的稳定性和可靠性。增大光纤模场面积能够降低纤芯中激光功率密度、提升非线性效应和模式不稳定阈值,被认为是打破光纤激光器功率提升瓶颈最直接有效的途径。基于此,本论文开展了大模场光纤波导结构设计与优化研究,具体内容如下:1.通过在纤芯最外层引入一个高折射率环,对纤芯折射率呈周期性梳状分布的光纤波导结构进行了优化。将高折射率环层的宽度和折射率优化后,光纤的有效模场面积增加700μm2,且在相同弯曲半径下基模弯曲损耗由6 dB/m降低为0.1 dB/m。此外,通过改变最外层高折射率环层参数实现了高斯型、平坦型和环型等形式的模场分布。2.提出了一种纤芯折射率呈周期性三角形分布的TPIF（Triangle-platform-i ndex core fiber）大模场光纤结构,纤芯由周期性交替分布的低折射率环层和三角形高折射率分布环层组成,最外层是一个宽度和折射率均可调的高折射率环。通过改变周期数目、三角形分布高折射率环层的占空比、高低折射率差等参数,TPIF的有效模场面积最高可达3100μm2;在弯曲半径为17 cm时LP01模弯曲损耗为0.04 dB/m,LP11模弯曲损耗为3 dB/m,能够实现单模传输;改变最外层高折射率环层参数可实现特殊的模场分布,如高斯分布、平坦化分布和环状分布等,能够满足特殊激光加工工业的应用需求。3.分别对低折射率内辐射型和低折射率外辐射型两种包层折射率分区调制的泄漏通道光纤结构进行优化和分析,二者包层中低折射率分布区域分别呈现内、向外辐射状。其中,低折射率内辐射型包层折射率分区调制光纤在无弯曲时LP01模泄漏损耗为0.02 dB/m,LP11模泄漏损耗为1 dB/m,可实现单模传输;而低折射率外辐射型包层折射率分区调制光纤在未弯曲时无泄漏损耗,但当弯曲半径为16 cm时,LP01模泄漏损耗为0.1 dB/m,LP11模泄漏损耗为1 dB/m,可实现单模传输。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 高功率光纤激光技术的发展现状
•   1.2 大模场光纤的研究现状
•   1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 基本原理及仿真方法
•   2.1 光纤的基本构造
•   2.2 光纤的模场面积和弯曲损耗
•   2.3 基于大模场光纤的非线性效应及模式不稳定抑制机理
•   2.4 基于有限元仿真软件的大模场光纤物理模型
•     2.4.1 有限元法思想其及计算步骤
•     2.4.2 有限元仿真软件的建模步骤
•   2.5 本章小结
• 第3章 基于纤芯折射率设计的大模场光纤
•   3.1 阶跃光纤及纤芯外侧高折射率平台型阶跃光纤的模场特性分析
•     3.1.1 阶跃光纤模场特性分析
•     3.1.2 纤芯外侧高折射率平台型阶跃光纤模场特性分析
•   3.2 梳状大模场光纤的优化设计及分析
•     3.2.1 光纤结构及参数设置
•     3.2.2 梳状大模场光纤的有效模场面积
•     3.2.3 梳状大模场光纤的弯曲损耗特性
•     3.2.4 梳状大模场光纤的模场分布特性
•   3.3 TPIF大模场光纤的优化设计及分析
•     3.3.1 光纤结构及参数设置
•     3.3.2 TPIF的参数对模场面积的影响
•     3.3.3 TPIF的弯曲损耗特性
•     3.3.4 TPIF的模场分布特性
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于包层折射率设计的大模场光纤
•   4.1 单沟道泄漏通道光纤
•     4.1.1 折射率阶跃型单沟道泄漏通道光纤
•     4.1.2 折射率渐变型单沟道泄漏通道光纤
•   4.2 包层折射率分区调制大模场泄漏通道光纤
•     4.2.1 低折射率内辐射型包层分区调制光纤
•     4.2.2 低折射率外辐射型包层分区调制光纤
•   4.3 本章小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 研究内容及成果
•   5.2 不足与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 苗效方

导师: 赵保银

关键词: 光纤激光器,大模场面积光纤,折射率分布,模场分布,弯曲损耗

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TN253;TN248

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000088

总页数: 73

文件大小: 4937K

下载量: 62