高功率光子晶體光纖結構設計及摻Er3+-Yb3+纖芯材料制備.pdf

1、隨著光纖通信網絡向高速率、大容量發(fā)展，原有的光纖技術已經不能適應需求。近些年出現的光子晶體光纖，特別是雙包層摻稀土光子晶體光纖，在諸如：超寬帶傳輸集成光學器件、超短脈沖激光器、微型光學傳感器、新型光纖放大器等方面顯示出良好的應用前景，為解決上述問題提供了良好的技術條件，成為目前光通信相關技術和高效激光器領域內的研究熱點。對于全反射光子晶體光纖而言，結構參數和纖芯材料性能對模場面積、功率輸出、色散、非線性及光損耗的影響很重要。國內外在光纖

2、性能方面的研究已經獲得了很大的進展，如：模場面積已經達到2000～3000μm2，輸出功率可達到2.5kw；在光子晶體光纖纖芯材料的研究方面，除了傳統(tǒng)的石英材料之外，摻稀土激光材料已經得到廣泛應用。但是，在提高單模光纖模場面積、單根光纖輸出功率及拓寬光子晶體纖芯材料選擇等方面，還存在不足。如：如何拓寬纖芯材料選擇范圍；如何在保證激光器單模傳輸的條件下，有效地解決模場面積和輸出功率的矛盾以及確定比較成熟的光子晶體光纖制備工藝等問題有待解決

3、。
　　本論文分析和總結了全反射型雙包層光子晶體光纖結構參數對性能的影響規(guī)律；對雙包層光子晶體光纖內、外包層結構做出了多種新穎的設計；應用有限元數值分析方法對新結構光子晶體光纖進行了模擬和數值分析；根據光子晶體光纖高功率及大模場的性能要求，設計了大芯徑、高激光功率輸出的光子晶體光纖包層結構，分析了數值孔徑與結構參數的關系；制備了兩種摻稀土離子光子晶體光纖纖芯材料，各項性能的測試和分析結果表明，兩種材料均適合于高功率、大模場光子晶體

4、光纖內包層及纖芯材料，擴大了光子晶體光纖材料的選擇范圍；探討了制備光子晶體光纖的工藝條件和參數，提出完善光子晶體光纖拉制工藝的思路。
　　1.對比光子晶體光纖性能的數值分析理論，分析了影響雙包層光子晶體光纖單模特性、模場面積、輸出功率等性能的主要因素。通過探索高功率、大模場單模光子晶體光纖的結構特點和設計原則，設計出十八種內包層占空比分別為0.20、0.25及0.40的以摻雜Yb3+硅酸鹽和Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽激光材料為纖

5、芯的雙包層光子晶體光纖。其中，外包層為雙排空氣孔的光子晶體光纖結構，是一種全新的結構設計。
　　2.采用有限元法二次開發(fā)Comsol軟件對不同結構的光子晶體光纖進行了分析和模擬，獲得了有意義的結論。其中，內包層為八邊形、纖芯缺失29個空氣孔的光子晶體光纖，光功率和模場面積的綜合性能，獲得很好的結果。當用波長為1550nm的激光泵浦時，模場面積為2444.21～5644.97μm2，符合超大模場的性能要求。另外，通過纖芯材料的對比，

6、無論是光功率還是有效模場等方面，摻稀土磷酸鹽纖芯的光子晶體光纖的性能都優(yōu)于硅酸鹽纖芯。
　　3.設計了內包層纖芯缺失13個空氣孔、空氣孔直徑為5μm、孔間距為10μm；外包層雙排空氣孔直徑分別為8μm和7μm、孔間距為18μm的雙包層光子晶體光纖，當用波長為1550nm的激光泵浦時，最大功率達到1.25131016W/m2，模場有效直徑為8.6μm，有效模場面積為232.2μm2。設計了內包層纖芯缺失29個空氣孔、外包層為單排空氣

7、孔的光子晶體光纖，模場有效直徑為38.9μm，有效模場面積為1187.8μm2，最大功率為4.96431015 W/m2。為大模場、高功率、低損耗光子晶體光纖的設計分析及模擬實驗提供了有益的經驗。
　　4.設計并制備了摻 Yb3+硅酸鹽和Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽激光材料。對組分作用進行分析，做出合理的優(yōu)化配比，使之更適合作為光子晶體光纖纖芯材料。在制備工藝和條件方面，做了新嘗試，成功制備出性能較好的新型纖芯材料。
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8、.通過性能測試和J-O理論分析，摻鐿硅酸鹽纖芯材料的折射率為1.5762，熒光壽命為1.30ms，可適合于多種波長的激光器泵浦源，具有較高的吸收和轉換效率。在Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽激光材料的制備過程中，提出了改進的制備方法，是一種將縮短預加熱時間、恒溫控制熔化溫度、增加攪拌相結合的工藝。纖芯材料的折射率為1.5621，增益品質因數達到了79.58（10-21cm23ms）的較高水平。
　　6.采用堆積法工藝拉制了八邊形光子晶