微结构光纤设计及其稀土掺杂放大器研究

论文摘要

微结构光纤是近二十年发展起来的一种新型光纤,它具有许多独特的特性,如无穷尽单模传输、超大单模尺寸、大模场面积、可控色散特性等,可以避免高功率时非线性光学效应的产生、提高泵浦光的耦合效率、实现低损耗单模传输。在光通讯、高功率传输以及高功率激光放大器和激光器中有着广阔的应用前景。本学位论文的工作是大单模面积K9玻璃多孔微结构光纤设计及其掺铒放大器分析和瓣形微结构光纤掺铒与掺镱放大器分析。详细分析了多孔微结构光纤和瓣形微结构光纤的特性,设计了几种超大单模面积、低损耗的单模微结构光纤,建立了掺杂微结构光纤的放大模型,运用自主开发的掺杂微结构光纤放大软件,对其掺铒和掺镱的放大特性进行了详细分析,并探讨了其在高功率激光器和放大器中的潜在应用。本论文的研究工作和主要成果如下:1.将常规掺杂光纤能级速率方程与微结构光纤中本征模场归一化功率密度分布相结合,并考虑掺杂粒子数分布,推导出适用于掺杂微结构光纤稳态放大器的二能级和三能级速率方程和功率传输方程。开发了微结构准二能级和三能级掺杂光纤放大器分析软件,为掺杂微结构放大器和激光器提供一种很好的计算模型。2.结合K9玻璃光纤的易加工特性和高浓度掺杂特性,设计了一种芯径为20μm的多孔微结构K9玻璃光纤,通过分析得到其模式折射率nc（λ）=1.516、单模直径D=21μm、模式面积Aeff=345.8μm2等参数,同时得到了在单模前提下其加工时的小孔偏差容许椭圆度容差为94.7%,最内层小孔的最大偏移量为0.1μm。3.详细分析了一种瓣形微结构光纤,讨论了其等效折射率分布以及色散曲线随光纤各参数的变化关系,找到一组单模尺寸大、基模损耗小、高阶模损耗快的瓣形光纤结构参数。在此瓣形微结构光纤中掺入铒离子,详细分析了掺铒瓣形微结构光纤的增益分布、阈值、泵浦分布和饱和功率等曲线,并计算了其噪声系数,通过比对相同掺杂的常规光纤,证明了它相对于常规掺杂光纤的优点:在比常规光纤模式面积大几十倍到一百倍的情况下,也具有与常规掺杂光纤相当的放大倍数,且噪声系数满足光纤放大器的要求。4.分析了掺镱瓣形微结构光纤增益分布、阈值、泵浦分布以及饱和功率等曲线,并计算了其噪声系数。通过比较常规掺镱光纤的单位面积非线性阈值,验证了在不产生非线性和光纤损伤的前提下单根掺镱瓣形微结构光纤可以支持很高的激光功率,并分析了掺镱瓣形微结构光纤在高功率激光器和放大器中的应用前景。本论文的主要创新点包括:1.引入掺杂微结构光纤的二能级与三能级的能级速率方程和功率传输方程,结合有限元法和平面波展开法,设计开发了一个大尺寸掺杂微结构光纤放大器的软件,为掺杂微结构光纤放大器和激光器提供了很好的计算。设计了一种高掺铒浓度的K9玻璃光子晶体光纤放大器,其单模芯径为21.6μm,在泵浦功率为500mW时,增益可达40dB。2.设计了掺铒和掺镱瓣形微结构光纤放大器,详细分析其放大特性。这种光纤放大器比常规光纤的单模尺寸大几十倍以上,能支持更高的激光功率。最高增益能达到37dB以上,最佳长度只有几米,噪声s系数≤4dB。通过非线性阈值模型和光纤损伤阈值,讨论了瓣形微结构光纤放大器在相干合束的应用,并分析了掺杂瓣形微结构光纤在高功率激光器和放大器中的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微结构光纤简介
• 1.1.1 微结构光纤分类
• 1.1.2 微结构光纤特性
• 1.2 微结构光纤放大器和激光器
• 1.2.1 微结构光纤放大器和激光器的基本原理
• 1.2.2 微结构光纤放大器和激光器的研究历史和现状
• 1.3 微结构光纤的应用
• 1.3.1 微结构光纤表面等离子体增强效应
• 1.3.2 微结构光纤在传感方面的应用
• 1.3.3 微结构光纤在高功率传输中的应用
• 1.4 本文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 微结构光纤理论计算方法
• 2.1 转移矩阵法
• 2.1.1 算法描述
• 2.1.2 导模损耗
• 2.1.3 吸收损耗
• 2.1.4 泄露模损耗
• 2.2 平面波展开法（PWEM）
• 2.3 径向等效折射率法（REIM）
• 2.4 有限元法（FEM）
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 掺杂微结构光纤放大器基本理论
• 3.1 掺杂微结构光纤的能级速率方程
• 3.2 微结构光纤放大器功率传输方程
• 3.2.1 掺杂微结构光纤的功率传输方程
• 3.2.2 掺杂微结构光纤的稳态数值模拟方法
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 K9玻璃多孔微结构光纤及其掺铒放大器
• 4.1 多孔微结构光纤的基本原理
• 4.1.1 全内反射多孔微结构光纤
• 4.1.2 光子带隙多孔微结构光纤
• 4.2 k9玻璃多孔微结构光纤的制作
• 4.3 k9玻璃多孔微结构光纤基本特性分析
• 4.3.1 多孔微结构光纤单模特性
• 4.3.2 多孔微结构光纤容许误差
• 4.4 掺铒K9玻璃多孔微结构光纤放大器增益特性及分析
• 4.4.1 掺铒多孔微结构光纤放大器参数和结构
• 4.4.2 泵浦功率随光纤长度的变化关系
• 4.4.3 信号增益与光纤长度的关系
• 4.4.4 信号增益与泵浦功率的关系
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 瓣形微结构光纤及掺铒瓣状光纤放大器放大分析
• 5.1 瓣形微结构光纤制作
• 5.2 瓣形微结构光纤基本特性
• 5.2.1 瓣形微结构光纤单模特性
• 5.2.2 瓣形微结构光纤色散特性
• 5.2.3 瓣形微结构光纤各参数对其性能的影响
• 5.2.3.1 光纤瓣数的影响
• 5.2.3.2 折射率差的影响
• 5.2.3.3 折射率系数的影响
• 5.2.3.4 纤芯半径的影响
• 5.3 掺铒瓣形微结构光纤放大器增益特性及分析
• 5.3.1 掺铒瓣形微结构光纤放大器的参数和结构
• 5.3.2 掺铒瓣形微结构光纤放大器稳态增益特性
• 5.3.2.1 信号增益与光纤长度的关系
• 5.3.2.2 泵浦功率随光纤长度的关系
• 5.3.2.3 信号增益与泵浦功率的关系
• 5.3.2.4 信号增益与信号功率的关系
• 5.3.2.5 瓣形微结构光纤放大器噪声
• 5.3.3 不同掺杂面积增益特性比较
• 5.3.3.1 信号增益与光纤长度的关系
• 5.3.3.2 信号增益与泵浦功率的关系
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 掺镱瓣形光纤在高功率激光器和放大器中的应用及模拟分析
• 6.1 掺镱瓣形微结构光纤放大器模拟分析
• 6.2 微结构光纤在高功率掺镱光纤激光器和放大器的应用
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢