【摘要】：激光器的高速發(fā)展對(duì)輸出功率提出了越來(lái)越高的要求。光纖激光器相比于傳統(tǒng)激光器輸出功率更大。但是光纖激光器中的非線(xiàn)性效應(yīng)和模式不穩(wěn)定損害了輸出光束質(zhì)量。大模場(chǎng)面積光纖因其低損耗、抗彎曲等優(yōu)點(diǎn),能夠有效改善光纖激光器的輸出光束質(zhì)量并提高激光器的閾值功率而受到廣泛的關(guān)注。本文主要研究和設(shè)計(jì)抗彎曲大模場(chǎng)光纖以期能提升光纖激光器的性能。本文從有限元法出發(fā),利用有限元仿真軟件進(jìn)行仿真分析,通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,深入研究了傳統(tǒng)瓣?duì)罟饫w、扇形瓣?duì)罟饫w的性能,并創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了一種新型大模場(chǎng)面積光纖。本文的主要工作和創(chuàng)新成果如下:(1)分析了傳統(tǒng)瓣?duì)罟饫w(Segmented Cladding Fiber,SCF)的彎曲特性和模場(chǎng)面積隨著SCF各個(gè)參數(shù)變化的趨勢(shì),并對(duì)SCF結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)纖芯半徑為20μm,彎曲半徑為15cm時(shí),SCF的模場(chǎng)面積為817μm2。光纖的最小高階模和基模損耗比為38,具有良好的單模特性和較大的模場(chǎng)面積。(2)研究分析了 扇形瓣?duì)罟饫w(Fan-segmented high index claddings SCF,FHC-SCF)的結(jié)構(gòu),分析并對(duì)比其彎曲特性和模場(chǎng)面積隨著光纖參數(shù)變化的趨勢(shì),并對(duì)FHC-SCF進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。當(dāng)光纖纖芯半徑為20μm,彎曲半徑為15cm時(shí),模場(chǎng)面積為804μm2,最小高階模和基模損耗比為40。(3)提出了一種溝槽輔助型扇形瓣?duì)罟饫w(Trench-Assisted Fan-Segmented Cladding Fiber,TA-FSCF),并對(duì)比該光纖和SCF、FHC-SCF的性能。與SCF相比,當(dāng)該TA-FSCF最小高階模和基模損耗比與SCF相接近時(shí),TA-FSCF的模場(chǎng)面積大于SCF的模場(chǎng)面積。與FHC-SCF對(duì)比,TA-FSCF的模場(chǎng)面積和最小高階模和基模損耗比為均大于FHC-SCF。TA-FSCF的性能完全優(yōu)于FHC-SCF。(4)分析了 TA-FSCF的彎曲性能和基模模場(chǎng)面積隨著光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化,優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計(jì)性能比較均衡的抗彎曲大模場(chǎng)面積光纖。通過(guò)研究抗彎曲大模場(chǎng)面積光纖,優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出具有較大模場(chǎng)面積、良好單模特性的彎曲不敏感大模場(chǎng)面積光纖,這為光纖激光器的大功率輸出提供了良好的基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN253
【圖文】：

邐引言逡逑示［２３１。如圖１－２邋（ｃ）所示，長(zhǎng)春理工大學(xué)制作出了可以用于單模激光器輸出的光子逡逑晶體光纖［２４］。雖然光子晶體光纖具有較大的模場(chǎng)面積以及良好的單模彎曲性能，逡逑但是ＰＣＦ光纖結(jié)構(gòu)與普通光纖結(jié)構(gòu)有較大的不同，對(duì)光纖預(yù)制棒的制備和光纖拉＇逡逑絲工藝提出了很高的要求，現(xiàn)有的工藝制作精度與光纖的理論模型建立存在比較逡逑大的差別，也會(huì)導(dǎo)致ＰＣＦ性能降低，并且很大一部分大模場(chǎng)面積光子晶體光纖還逡逑停留在理論實(shí)驗(yàn)階段，離真正的實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。邐邐逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１－２光子晶體光纖截面圖ｌ１３，２Ｗ３］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ＰＣＦｓ［１３，２２＇２３＾逡逑（３）

芯直徑為３５ｐｍ的３Ｃ光纖實(shí)現(xiàn)２５０Ｗ的單模輸出功率［２６］。２０１４年，馬修泉等人［２７］逡逑設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的３Ｃ光纖，逡逑圖１－３邋（ｂ）所示為其光纖結(jié)構(gòu)示意圖和光纖截面圖，光纖中心為正八邊形，在＇逡逑八邊形的８?jìng)�(gè)頂點(diǎn)處，螺旋圍繞著８根側(cè)芯，中心纖芯也隨側(cè)芯旋轉(zhuǎn)，其纖芯直徑逡逑擴(kuò)展到５５ｐｍ，該改進(jìn)３Ｃ光纖具有５７．１％激光斜率效率，光束質(zhì)量因子Ｍ２為１．１２。逡逑然而，此光纖需要制作流程復(fù)雜，需要堆棒技術(shù)及特殊的拉絲工藝，制作難度較大逡逑且不易控制。逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１－３手性耦合纖芯光纖截面圖１２５，２７］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋３Ｃ邋Ｆｉｂｅｒｓ＾２５邋２７＾逡逑（５）布拉格光纖逡逑２０世紀(jì)７０年代ＹｅｈＰｏｃｈｉ等人提出了布拉格光纖［２８］。該光纖的徑向方向上的逡逑折射率呈高低交替周期性狀態(tài)，而且布拉格光纖具有良好的模場(chǎng)面積擴(kuò)展能力和逡逑抗彎曲特性其截面圖如圖１－４所示。逡逑圖１－４布拉格光纖截面圖Ｍ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋Ｂｒａｇｇ邋ｆｉｂｅｒｓ［３０］逡逑布拉格光纖的包層含有光子帶隙（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ邋Ｂａｎｄ－Ｇａｐ，邋ＰＢＧ）光子晶體結(jié)構(gòu)，該逡逑光纖是一種帶隙引導(dǎo)型光纖，在導(dǎo)光原理、傳輸特性和光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與普通光逡逑纖都有比較大的不同。布拉格反射原理是布拉格光纖實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)［３１］。逡逑通過(guò)周期性的折射率變化設(shè)計(jì)

圖１２５，２７］逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2803714