论文部分内容阅读
多组分玻璃全固态光子晶体光纤是目前光纤激光研究的热点之一。光子晶体光纤的全固态结构相比于空气孔结构，具有拉制工艺简单，不易被污染，易于焊接等优点。同时，多组分的玻璃有着石英玻璃不具备的特性:在近红外和中红外波段透过率高，可用于红外波段激光的产生和传输（碲酸盐玻璃、硫系玻璃等）;拉丝温度低;折射率等参数易调，有利于光纤结构设计;稀土离子掺杂浓度可以很高并且很均匀，适合于制备短光纤，以弥补其光学损耗高的缺点。但是多组分玻璃也有一些缺点:粘度曲线窄，拉丝区间一般小于五十度（石英拉丝区间几百度），热稳定性比较差，容易析晶。本课题通过实验的摸索总结，克服多组分玻璃制备光子晶体光纤的难点，从理论设计、实验制备和光学测量三大方面进行分析研究，提出设计制备光子晶体光纤的基本方法。 本研究主要内容包括：⑴基于平面波展开和有限元的计算方法，利用Rsoft软件中的Bandsolve模块和FemSIM模块以石英带隙光纤为例建立了相关的光纤模型，进行了全固态带隙光子晶体光纤分析。研究包层高折射率棒直径d，周期Λ、填充率d/Λ和包层高折射率棒的折射率与带隙的大小、宽度、深度、个数的关系以及包层层数对泄漏损耗的影响。在此基础上提出了计算带隙结构光子晶体光纤时参数如何选择的基本方法和思路，奠定了带隙光纤的设计和制各的基础。⑵利用两种商用硅酸盐玻璃，通过理论计算设计了全固态带隙结构光纤。研究了其导光范围和模式信息，并且实验制备了相应的光纤实现光纤纤芯在920nm附近导光，理论与实验结果相一致。⑶使用N1024型号的钕离子掺杂的硅酸盐玻璃和两种商用硅酸盐白玻璃设计制备带隙光纤。通过设计光纤的通光波段实现抑制钕离子四能级4F3/2-4I11/2(1060-1100nm)转换对应发光，实现三能级4F3/2-4I9/2转换对应的890-940nm波段发光增强。⑷研制出两种结构的大模场单模光纤。一种是使用实验的N0312钕离子掺杂的硅酸盐玻璃和另外两种硅酸盐的白玻璃，设计制备得到纤芯直径达45μm，并在得到波长1064nm得到单模激光输出，理论计算与实验结果相吻合。另一种新型结构的大模场光纤使用的是三种磷酸盐玻璃，在传统的包层光纤的基础上，在包层中有加入四根高折射率棒，通过计算使得纤芯传导的高阶模与包层中四根高折射率棒进行耦合，从而使得纤芯中只留下基模光传输，实现光纤的单模传输。由于包层高折射率棒本身吸收泵浦光产生发热问题，最终并没有实现单模激光的输出，如果选择新的包层高折射率材料，那么有望实现光纤的单模输出。⑸矩形芯光纤在光纤激光器和放大器方面可以利用模式转换实现单模输出放大，研究了模式转换的基本原理。讲述了其基本的理论和实验的需要条件，然而由于实验室缺少相关的实验条件，只进行了简单的激光实验。光纤外径110μm，矩形纤芯的尺寸为6.3μm×31.5μm。使用793nm的激光泵浦，得到最高1.45W的激光输出，倾斜效率为16.84％矩形线状激光输出，并且在线状激光的两个方向实现不同的发散角。