摻稀土光子晶體光纖制備及其特性研究.pdf

1、本論文針對(duì)常規(guī)摻稀土光纖在光纖激光器應(yīng)用實(shí)際工作中面臨的三個(gè)科學(xué)問(wèn)題，包括大芯徑光纖與輸出激光的光束質(zhì)量問(wèn)題、高效耦合問(wèn)題及光暗化問(wèn)題，展開(kāi)研究。
　　 首先設(shè)計(jì)摻鐿和摻鉺光子晶體光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出光子晶體光纖高溫熔體流體力學(xué)模型，研究出光子晶體光纖的制備工藝；然后，制備出摻鐿光子晶體光纖與摻鉺光子晶體光纖，以及雙包層光纖光柵，并分別將兩種摻稀土光子晶體光纖進(jìn)行了激光試驗(yàn)；最后，研究了超大模場(chǎng)摻鐿光纖的制備與光束質(zhì)量特性，分

2、析了摻鐿光纖的光暗化機(jī)理，研究了不同材料體系的摻鐿光纖的光暗化特性，提出了相應(yīng)的解決措施。。
　　 論文的主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下：
　　 （1）完成摻稀土光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在d/Λ≤0.30，Λ≤15λ時(shí)，大芯徑光纖可以維持單模工作特性；外包層大空氣孔徑向尺寸w≥ 3λ，大空氣孔之間的橋?qū)抌≤0.5λ，可以獲得高于0.7以上的內(nèi)包層數(shù)值孔徑，并制備出纖芯直徑為43微米的大模場(chǎng)雙包層摻鐿光子晶體光纖，測(cè)試表明其具

3、備單模特性，內(nèi)包層數(shù)值孔徑達(dá)到0.65，解決了大纖芯直徑與單模工作特性的矛盾，以及高效耦合的問(wèn)題。
　　 （2）系統(tǒng)研究摻稀土光子晶體光纖的制備工藝：建立高溫熔體流體力學(xué)模型分析不同參數(shù)對(duì)工藝敏感度的影響，得出光子晶體光纖較佳拉絲工藝條件：高溫爐溫度為2123K，預(yù)制棒的進(jìn)棒速度大于3mm/min，光纖拉絲速度大于200m/min，毛細(xì)管的內(nèi)外壓力差小于300pa。針對(duì)稀土離子傳統(tǒng)液相摻雜工藝的缺陷，探索出稀土離子的全氣相沉積工

4、藝方法和完整的摻稀土光子晶體光纖制備工藝，并制備出摻鐿光子晶體光纖和摻鉺光子晶體光纖。
　　 （3）研究了雙包層摻鐿光子晶體光纖的激光特性：采用本論文設(shè)計(jì)并制備的摻鐿光子晶體光纖和光纖光柵，構(gòu)建出全光纖化的摻鐿光子晶體光纖激光器，在915nm 泵浦激光器作用下獲得了中心波長(zhǎng)為1080.2nm的3.96W的激光輸出，斜率效率達(dá)到79.6％，光束質(zhì)量因子M2 為1.2。該摻鐿光子晶體光纖光譜吸收特性?xún)?yōu)于常規(guī)摻鐿光纖，其在915nm

5、波長(zhǎng)和976nm 波長(zhǎng)的吸收系數(shù)均高于常規(guī)摻鐿光纖，在915nm 波長(zhǎng)的吸收峰較寬，其在兩個(gè)吸收峰之間的谷底向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)10nm。原因是空氣石英玻璃網(wǎng)絡(luò)電場(chǎng)對(duì)鐿離子能級(jí)的產(chǎn)生了微擾，導(dǎo)致Stark分裂的新特性，影響了鐿離子2F7/2 → 2F5/2的躍遷特性，從而產(chǎn)生了吸收譜的加寬與加高，以及吸收谷底向長(zhǎng)波長(zhǎng)的位移。
　　 （4）研究了摻鉺光子晶體光纖及其激光放大特性，發(fā)現(xiàn)增大鉺離子的摻雜區(qū)域，可以有效提升交疊因子，從而提升放大

6、效率。摻鉺光纖的激光放大特性與彎曲損耗特性試驗(yàn)結(jié)果表明：摻鉺光子晶體光纖與普通摻鉺光纖相比具有較高的增益特性、較好的增益平坦度、以及更好的抗彎曲性能，其原因在于空氣與石英復(fù)合結(jié)構(gòu)具備較大的交疊因子和較好地基模光場(chǎng)束縛能力。
　　 （5）研究了超大模場(chǎng)摻鐿光纖：設(shè)計(jì)并制備出了全新結(jié)構(gòu)的100 微米級(jí)超大模場(chǎng)摻鐿雙包層光纖，激光試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)受抑內(nèi)全反射結(jié)構(gòu)的超大模場(chǎng)光纖可以顯著提升輸出激光光束質(zhì)量，該光纖激光在X、Y 方向的平均光束質(zhì)量