高功率光纤激光器的掺镱双包层光子晶体光纤的研究

摘要

和传统阶跃型光纤相比较，光子晶体光纤最独特的地方在于其波导结构中具有微结构—周期性排列的空气孔，由于微结构和均匀材料(如二氧化硅)的特性有很大差别，所以光子晶体光纤能够获得和传统阶跃型光纤不同的导光性能，如全波段单模传输，大模场面积，色散可调节等特性。并且，光子晶体光纤有众多的结构变量可以灵活调节，因此加大了设计的自由度。因此近年来，光子晶体光纤的应用越来越广泛，尤其是在光纤激光器领域中，由于其大模场特性，可以承受高功率而不发生光学损坏，并且保证良好的光束质量。本论文是在折射率导引型光子晶体光纤的基础上，在纤芯掺杂Yb3+，并在外包层引入空气孔，设计出用于高功率光纤激光器的掺镱双包层光子晶体光纤，对其性能进行了一系列研究，研究内容包括：
　　(1)用以有限元法为理论基础的Comsol软件对光子晶体光纤进行了数值模拟，研究其单模运转条件，分析了空气孔大小，间距，层数对普通折射率导引型光子晶体光纤的有效折射率，基模模场面积，限制损耗造成的影响。
　　(2)用Comsol软件对掺Yb3+双包层光子晶体光纤进行数值仿真，分析纤芯掺杂折射率，掺杂半径对基模模场面积的影响以及包层空气孔尺寸和间距对内包层数值孔径的影响。同时，进一步研究其弯曲特性和保偏特性。
　　(3)对掺Yb3+双包层光子晶体激光器进行理论研究，采用前向泵浦方式，在Yb3+速率能级方程的基础上用Matlab对其进行建模，对一定掺杂浓度光纤的吸收系数，斜率效率以及最佳长度进行理论计算。
　　(4)利用现有的实验条件对掺 Yb3+双包层光子晶体光纤进行实验研究，搭建激光器平台测试其吸收系数，斜率效率和最佳长度。
　　经过这一系列研究，设计出一种全波段单模运转，在1.06μm处模场直径达到19.3μm的掺Yb3+双包层光子晶体，并且实验测得斜效为81％，包层吸收系数2.7dB/m。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 光子晶体光纤的研究进展

1.3 本论文研究内容

2 光子晶体光纤的基本理论

2.1 光子晶体光纤的种类和导光机制

2.2 光子晶体光纤的特性

2.3 本章小结

3 光子晶体光纤的数值分析方法

3.1 几种数值分析方法的介绍

3.2 有限元法的基本思路

3.3 本章小结

4 掺镱光子晶体光纤的性能仿真分析

4.1 全内反射型光子晶体光纤的仿真分析

4.2 掺镱双包层光子晶体光纤的仿真分析

4.3 结果分析

4.4 本章小结

5 掺镱双包层光子晶体光纤激光器的研究

5.1 掺镱光子晶体光纤激光器的理论分析

5.2 掺镱光子晶体光纤激光器的实验研究

5.3 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献