【摘要】：隨著光纖激光器輸出功率的迅速提高,非線性效應(yīng)已成為限制光束質(zhì)量和輸出功率提升的主要障礙,同時(shí),有效傳輸波導(dǎo)的缺乏也限制著高功率激光應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展。微結(jié)構(gòu)光纖以其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)光纖無法比擬的優(yōu)異特性,為高功率激光系統(tǒng)急需的大模場(chǎng)面積光纖提供了一條有效的實(shí)現(xiàn)途徑。本論文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京交通大學(xué)優(yōu)秀博士創(chuàng)新基金項(xiàng)目、歐盟框架計(jì)劃項(xiàng)目的共同資助下,面向高功率光纖激光器小型化、集成化發(fā)展的迫切需求,以及高功率激光傳輸波導(dǎo)匱乏的現(xiàn)狀,從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及制備可行性出發(fā),開展大模場(chǎng)面積微結(jié)構(gòu)光纖及大芯徑空芯光子帶隙光纖的研究。取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：1.提出一種實(shí)際微結(jié)構(gòu)光纖端面幾何結(jié)構(gòu)重建模型,與有限元分析模型相結(jié)合,建立起實(shí)際微結(jié)構(gòu)光纖特性分析模型。通過建立全變差-小波去噪模型,有效去除微結(jié)構(gòu)光纖截面圖像噪聲；采用基于卡爾曼濾波的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)估計(jì)模型,在有效保持空氣孔邊緣信息的同時(shí),高精度復(fù)原微結(jié)構(gòu)光纖圖像。利用所建立的模型,對(duì)兩種商用微結(jié)構(gòu)光纖的光纖特性進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明所建立的分析模型可以快速準(zhǔn)確地評(píng)估微結(jié)構(gòu)光纖特性,實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)光纖特性的快速、低成本的評(píng)估。2.首次提出并成功研制出一種矩形晶格的大模場(chǎng)面積微結(jié)構(gòu)光纖。特性分析表明所研制光纖在工作波長(zhǎng)2 μm處,平直狀態(tài)下模場(chǎng)面積高達(dá)2471 μm2。在彎曲半徑為30 cm時(shí),光纖為單模運(yùn)轉(zhuǎn),基模彎曲損耗僅為0.0015 dB/m,并且彎曲后基模模場(chǎng)面積為2349 μm2,彎曲后的模場(chǎng)面積減小量?jī)H為3.7%,其抗彎曲形變指標(biāo)明顯優(yōu)于現(xiàn)有報(bào)道。在波長(zhǎng)2μm處,實(shí)際測(cè)得彎曲半徑30 cm時(shí),光纖彎曲損耗僅為0.062 dB/m。3.提出一種含有泄漏通道的三角芯大模場(chǎng)面積微結(jié)構(gòu)光纖。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,僅采用兩種尺寸接近的圓空氣孔,降低制作難度。在工作波長(zhǎng)1.064μm,彎曲半徑30 cm的狀態(tài)下,光纖為單模運(yùn)轉(zhuǎn),基模彎曲損耗僅為0.0025 dB/m,模場(chǎng)面積為815 μm2并且將可維持單模運(yùn)轉(zhuǎn)的彎曲方向角范圍拓展至±55°。而目前已報(bào)道的非對(duì)稱包層微結(jié)構(gòu)光纖可維持單模運(yùn)轉(zhuǎn)的彎曲方向角范圍僅為±7°。4.提出一種改進(jìn)型的三角芯大模場(chǎng)面積微結(jié)構(gòu)光纖。引入摻氟棒代替最內(nèi)圈大空氣孔,進(jìn)一步降低制作難度,提升模場(chǎng)面積。在分析結(jié)構(gòu)參數(shù)及彎曲特性之間關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上,優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。在工作波長(zhǎng)1.064 μm處,彎曲半徑為30 cm時(shí),光纖為單模運(yùn)轉(zhuǎn),基模模場(chǎng)面積為1154 μm2。相比于改進(jìn)前結(jié)構(gòu),彎曲狀態(tài)下的模場(chǎng)面積增加340 μm2,并將單模運(yùn)轉(zhuǎn)的彎曲方向角范圍拓展至±180°,徹底擺脫了彎曲方向的限制。5.提出一種具有multi-trench芯結(jié)構(gòu)的大模場(chǎng)面積光纖,突顯出multi-trench芯結(jié)構(gòu)在調(diào)制模場(chǎng)分布、抑制彎曲形變、保證單模特性方面的重要性。在工作波長(zhǎng)1.064 μm處,彎曲半徑15 cm時(shí)光纖為單模運(yùn)轉(zhuǎn),模場(chǎng)面積達(dá)1100 μm2。而現(xiàn)有報(bào)道的multi-trench光纖在彎曲半徑小于20 cm時(shí)模場(chǎng)面積難以突破890μm2。在此基礎(chǔ)上,又提出一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu),將彎曲半徑15 cm處對(duì)應(yīng)的單模模場(chǎng)面積提升至1310 μm2。6.提出一種適用于測(cè)量空芯光子帶隙光纖寬帶色散的相位提取方法,并搭建起基于Mach-Zehnder干涉儀的色散測(cè)量系統(tǒng)。結(jié)合峰值點(diǎn)和中心對(duì)稱點(diǎn)的判定,直接從干涉譜中提取相位信息。針對(duì)所研制的纖芯直徑26 μm的19 cell空芯光子帶隙光纖,實(shí)際測(cè)量得到在1400 μm至1630 μm帶寬范圍內(nèi)的基模色散曲線,并首次實(shí)際測(cè)量得到四條高階模色散曲線。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果吻合。
【圖文】：

圖１．１微結(jié)構(gòu)光纖截面圖：（ａ）第一根微結(jié)構(gòu)光纖，（ｂ）第一根光子帶隙光纖，（ｃ）空芯光子帶隙逡逑光纖，（ｄ）實(shí)芯光子帶隙光纖．（０混合導(dǎo)光型微結(jié)構(gòu)光纖，（ｄ）混合導(dǎo)光型微結(jié)構(gòu)光纖逡逑１９９６年，Ｊ．Ｃ．邋Ｋｎｉｇｈｔ等人成功研制出第一根微結(jié)構(gòu)光纖１＾１，其結(jié)構(gòu)如圖１．１（ａ）逡逑所示。雖然該光纖在結(jié)構(gòu)上具有周期性排布的空氣孔，但并不是真正基于光子帶逡逑隙機(jī)制導(dǎo)光，而是基于與傳統(tǒng)光纖導(dǎo)光機(jī)制類似的全內(nèi)反射導(dǎo)光機(jī)制，被稱為折逡逑射率導(dǎo)光型微結(jié)構(gòu)光纖Ｗ。之所Ｗ如此，是由于光子帶瞧的實(shí)現(xiàn)對(duì)包層微結(jié)構(gòu)周逡逑期性要求嚴(yán)格，王藝較難實(shí)現(xiàn)；而折射率導(dǎo)光型微結(jié)構(gòu)光纖對(duì)周期性要求并不嚴(yán)逡逑格，空氣孔的引入只是起到降低并調(diào)控包層等效折射率的作用，工藝上更易于實(shí)逡逑現(xiàn)。隨著制作工藝的發(fā)展，直到１９９８年，第一根利用光子帶隙原理導(dǎo)光的光纖才逡逑成功研制出來如圖１．１（ｂ）所示。該光纖具有蜂窩狀的包層結(jié)構(gòu)，并且晶格尺寸逡逑較小

為解決海呈：數(shù)據(jù)傳送問題提供了一條可行途徑。逡逑此外，在微結(jié)構(gòu)光纖的空氣孔中充入氣體、液體或金屬錯(cuò)膜，可有效調(diào)制光逡逑與物質(zhì)相互作用，從而可Ｗ實(shí)現(xiàn)新型的光纖器件。如圖１．２（ｅ）所示為２的３年Ｂ．逡逑Ｓｕｎ等人提出的含有銀金屬線的雙芯微結(jié)構(gòu)光纖ｔＭｌ。通過中也銀金屬的調(diào)制作逡逑用，６．３邋ｍｍ長(zhǎng)的該微結(jié)構(gòu)光纖可實(shí)現(xiàn)帶寬１４６邋ｎｍ，消光比優(yōu)于－２０犯的寬帶偏振逡逑分束器。同時(shí)，空氣孔中氣體、液體等介質(zhì)的填充還可ＷX椙糠竅咝宰饔瞇Ч�，辶x轄岷峽繕杓剖迪值納⑵教梗媯停�、灵h⒌鬮灰疲簦鰨欏⑺閔⒌愕刃縷嫻納⑻劐義閑�，，微结箻�(gòu)庀嗽誆ǔぷ唬保罰�，邋ＡP梗�、超连续谱产生仕Gだ⑸涫薌ゅ義喜祭鐫ㄉ⑸洌桑鰲椎確竅咝怨庀斯庋Я煊蚓哂兄匾撓τ謾＠紓玻埃保的輳粒義希牛恚椋錚歟錚齙熱送ü諶繽跡保玻ǎ媯┧鏡目招玖轎⒔峁構(gòu)庀酥刑畛淝善�，获得了辶x希保保沖澹睿碇粒保埃埃板澹睿淼某撞桑福櫻�。逦邋逦辶x希ㄋ懼義廈鏦 灥逡逑暎灥媝逡逑（ｇ）邐（ｈ）邐（ｉ）逡逑圖１．２典型的微結(jié)構(gòu)光纖截面圖：（ａ）大模場(chǎng)面積微結(jié)構(gòu)光纖，（ｂ）Pt漏型謝結(jié)構(gòu)光纖，（ｃ）用于逡逑生物傳感的微結(jié)構(gòu)光纖，（ｄ）空態(tài)光子帶屾光纖
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN253


本文編號(hào)：2565007