本文關(guān)鍵詞：摻鐿、亞波長空芯及新型高非線性光子晶體光纖的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：光子晶體光纖呈現(xiàn)出許多傳統(tǒng)光纖難以實現(xiàn)的特性,如摻鐿光纖的大模面積單模特性、小芯光纖的高非線性、色散可調(diào)性、高雙折射、空芯光纖的光子帶隙等,因而備受關(guān)注,成為光電子學和光學領(lǐng)域的研究重點。本文針對光子晶體光纖在光纖激光器、光通信和光纖傳感等領(lǐng)域的研究及應用需求,開發(fā)其應用潛力,對多種新型光子晶體光纖的設(shè)計、制備及傳輸性能進行深入研究,主要包括：大模面積單模摻鐿光子晶體光纖、亞波長空氣孔傳光的新型空芯光子晶體光纖、高非線性光子晶體光纖、三個和四個零色散波長光子晶體光纖。主要創(chuàng)新成果如下： 1.首次對大芯徑摻鐿光子晶體光纖各種模式有效折射率之間的關(guān)系進行了分析,給出了單模傳輸條件。利用有限元法和有效折射率法,分別對不同纖芯折射率及結(jié)構(gòu)參數(shù)的大芯徑摻鐿光子晶體光纖的各個模式折射率進行了模擬,首次給出了單模傳輸時纖芯折射率與孔間距、空氣填充比、纖芯直徑等光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)所滿足的關(guān)系。設(shè)計出了纖芯直徑分別為50μm、100μm/150μm的大芯徑單模摻鐿光子晶體光纖。在摻鐿光子晶體光纖設(shè)計、制備過程中,不僅可以調(diào)節(jié)纖芯材料折射率,還可以通過調(diào)節(jié)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù),得到大模面積單模傳輸,為光纖的設(shè)計和制備提供新的理論指導。 2.傳統(tǒng)的化學沉積法很難制備纖芯與包層低折射率差的大芯徑光纖,限制了大模面積單模光纖的發(fā)展。本文提出了一種制備摻鐿光子晶體光纖的新方法,利用溶液摻雜-高溫熔煉法制備高摻鐿濃度石英玻璃。對光子晶體光纖的拉制工藝、拉制過程中溫度場分布進行了研究,拉制出了多種新型光子晶體光纖。用摻鐿石英玻璃作為纖芯制備光纖預制棒,拉制出了纖芯直徑約為130μm的摻鐿光子晶體光纖,對其光譜特性進行了實驗測量,分析了其吸收光譜與熒光光譜,實現(xiàn)了良好的激光輸出,為稀土摻雜光纖制備提供了新途徑。 3.提出了一種亞波長空氣孔傳光的新型空芯光子晶體光纖,利用有限元方法分析了其模場分布、損耗和色散特性隨光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)及波長的變化規(guī)律。首次根據(jù)光的衍射原理和光子晶體光纖的傳輸特性,對低折射空氣孔傳光的物理機理進行了解釋。首次得到了亞波長空氣孔低損耗、單模傳輸時,光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)和波長的取值范圍。設(shè)計出了一種優(yōu)化的光子晶體光纖結(jié)構(gòu),其模場集中在纖芯微小空氣孔中,限制損耗α=5.9×10-5dB/km。根據(jù)所設(shè)計的光纖結(jié)構(gòu)參數(shù),制備出了纖芯帶有微小空氣孔的光子晶體光纖,光在空氣孔中高強度、長距離傳輸,為光與物質(zhì)相互作用及非線性光學的研究提供了新條件。 4.利用分步傅里葉法求解非線性薛定諤方程,得到了光子晶體光纖輸出光譜與結(jié)構(gòu)參數(shù)及脈沖參數(shù)的關(guān)系,并進行了實驗研究,理論與實驗結(jié)果一致,闡明了非線性光譜產(chǎn)生的物理原理。首次對光子晶體光纖包層節(jié)區(qū)的傳光特性進行了研究,對比了纖芯與包層節(jié)區(qū)傳光的模場面積、非線性系數(shù)和色散特性,得到包層節(jié)區(qū)具有小纖芯面積、高非線性、雙零色散波長的特點。研究了產(chǎn)生色散波的相位匹配特性,理論分析了色散波中心波長隨泵浦功率和泵浦波長的變化規(guī)律。制備了所設(shè)計的光子晶體光纖,實驗獲得了可見和紅外波段均大于300nm的寬帶色散波,測量了色散波隨泵浦功率和波長的變化情況。實驗與理論分析結(jié)果一致,為超寬帶連續(xù)光源和光波長變換的研究提供了新的理論基礎(chǔ)。 5.首次對具有多個零色散波長光子晶體光纖的相位失配特性進行了理論分析,得到了相位匹配波長隨泵浦波長及泵浦功率的變化規(guī)律。給出了具有多個零色散波長光纖的相位匹配曲線,分析了不同色散曲線對應的相位匹配波長特點。實驗得到了相位匹配的四波混頻光譜,其光譜特點與相位匹配理論分析一致。通過合理設(shè)計光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù),得到了具有三個零色散波長的單模光纖。對纖芯中心帶有一個微小空氣孔光子晶體光纖的色散特性進行了分析,獲得了具有四個零色散波長的色散曲線。具有多個零色散波長的光纖可以得到色散值極低的超平坦色散曲線。多個零色散波長光纖能產(chǎn)生全新的相位匹配曲線,會出現(xiàn)更多的四波混頻波長,可以有效地控制光孤子、超短脈沖的四波混頻及共振散射產(chǎn)生的光譜特性。
【關(guān)鍵詞】：光子晶體光纖 摻鐿光纖 空芯 色散 色散波 相位匹配
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN253
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 引言14-34
• 1.1 課題的研究背景和意義14-18
• 1.1.1 大模場摻鐿PCF的研究14-15
• 1.1.2 亞波長空氣孔傳光PCF的研究15-16
• 1.1.3 色散和非線性方面的研究16-18
• 1.2 光子晶體光纖概述18-21
• 1.2.1 光子晶體光纖概念及分類18-19
• 1.2.2 光子晶體光纖的特性19-21
• 1.3 光子晶體光纖的制備21-26
• 1.3.1 稀土摻雜石英玻璃的制備21-23
• 1.3.2 光子晶體光纖的制備23-26
• 1.4 光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀26-32
• 1.4.1 摻鐿光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀26-28
• 1.4.2 空芯光纖的研究現(xiàn)狀28-29
• 1.4.3 光子晶體光纖色散特性的研究現(xiàn)狀29-30
• 1.4.4 高非線性光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀30-32
• 1.5 論文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排32-34
• 2 大模面積單模摻鐿光子晶體光纖的理論研究34-48
• 2.1 引言34-35
• 2.2 有效折射率方法分析大芯徑摻鐿PCF的單模條件35-36
• 2.3 歸一化頻率V隨纖芯折射率及PCF結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系36-39
• 2.3.1 中心缺失一層空氣孔的PCF37-38
• 2.3.2 中心缺失不同層空氣孔的PCF38-39
• 2.4 大模面積單模摻鐿PCF的設(shè)計39-40
• 2.5 有限元方法分析摻鐿PCF單模傳輸條件40-43
• 2.5.1 有限元方法40-41
• 2.5.2 PCF單模條件分析41-43
• 2.6 摻鐿PCF單模傳輸時纖芯折射率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍43-45
• 2.7 摻鐿PCF中泵浦光傳輸?shù)难芯?/span>45-46
• 2.8 結(jié)論46-48
• 3 非化學汽相沉積法制備摻鐿石英玻璃和光子晶體光纖拉制工藝的研究48-68
• 3.1 引言48-49
• 3.2 摻鐿石英玻璃的材料選取49-50
• 3.3 摻鐿石英玻璃光學特性分析方法50-52
• 3.4 摻鐿石英玻璃的制備與測試52-53
• 3.5 PCF的制備53-65
• 3.5.1 PCF拉制過程54-55
• 3.5.2 PCF拉制過程中溫度場分布的理論模型55-59
• 3.5.3 PCF拉制過程中溫度場分布情況59-60
• 3.5.4 拉制的多種新型PCF及其傳輸特性分析60-65
• 3.6 摻鐿PCF光學性能測試65-67
• 3.7 結(jié)論67-68
• 4 亞波長空氣孔傳光的新型空芯光子晶體光纖研究68-78
• 4.1 引言68
• 4.2 空芯PCF的模場分布和損耗特性隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律68-74
• 4.2.1 模場分布和損耗隨波長的變化69-70
• 4.2.2 模場分布和損耗隨Λ的變化70-71
• 4.2.3 模場分布和損耗隨d_c/Λ的變化71-73
• 4.2.4 模場分布和損耗隨d/Λ的變化73
• 4.2.5 模場分布和損耗隨空氣孔層數(shù)N的變化73-74
• 4.3 空芯PCF的色散特性隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律74-76
• 4.4 亞波長空氣孔傳光的空芯PCF設(shè)計76
• 4.5 纖芯帶有微小空氣孔PCF的制備76-77
• 4.6 結(jié)論77-78
• 5 光子晶體光纖包層節(jié)區(qū)寬帶光譜產(chǎn)生的理論和實驗研究78-98
• 5.1 引言78-79
• 5.2 光脈沖在光纖傳輸?shù)睦碚?/span>79-84
• 5.2.1 光脈沖在光纖傳輸?shù)幕痉匠掏茖?/span>79-83
• 5.2.2 分步傅立葉法求解非線性薛定諤方程83-84
• 5.3 PCF輸出光譜與光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)及光脈沖參數(shù)的關(guān)系84-89
• 5.3.1 單個零色散波長PCF84-87
• 5.3.2 兩個零色散波長PCF87-89
• 5.4 光子晶體光纖包層節(jié)區(qū)的傳光特性研究89-92
• 5.4.1 所制備PCF的結(jié)構(gòu)90
• 5.4.2 PCF纖芯與包層節(jié)區(qū)的模場面積和非線性系數(shù)90-91
• 5.4.3 PCF纖芯與包層節(jié)區(qū)的色散特性91
• 5.4.4 PCF色散波的相位匹配特性91-92
• 5.5 可見和紅外寬帶色散波的實驗研究92-95
• 5.6 飛秒脈沖在PCF中傳輸?shù)膶嶒炑芯?/span>95-96
• 5.7 結(jié)論96-98
• 6 三個和四個零色散波長光子晶體光纖及其相位匹配特性的研究98-118
• 6.1 引言98
• 6.2 基于四波混頻的相位匹配理論98-99
• 6.3 一個零色散波長PCF的相位匹配特性99-101
• 6.4 兩個零色散波長PCF的相位匹配特性101-104
• 6.5 兩個零色散波長PCF寬帶四波混頻光譜的實驗研究104-105
• 6.6 三個零色散波長PCF105-111
• 6.6.1 三個零色散波長PCF的色散特性研究105-108
• 6.6.2 三個零色散波長PCF的相位匹配特性108-111
• 6.7 四個零色散波長PCF111-116
• 6.7.1 四個零色散波長PCF的色散特性研究111-114
• 6.7.2 四個零色散波長PCF的相位匹配特性114-116
• 6.8 結(jié)論116-118
• 7 結(jié)論118-120
• 參考文獻120-132
• 作者簡歷及攻讀博士學位期間取得的研究成果132-136
• 學位論文數(shù)據(jù)集136

【參考文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：摻鐿、亞波長空芯及新型高非線性光子晶體光纖的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：378472