【摘 要】
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光纤发展至今已经有50年的历史,光纤被开发出越来越多新的用途。伴随光纤一起发展的光纤激光器也已经成为世界的主流,具有更低的成本和更优异的性能。光纤激光器正往更高功率发展,包括更高的平均功率和更高的峰值功率,而光纤必将面临功率承受限制的问题。能承受高功率的光纤必须具有较大的纤芯尺寸或大部分能量在空气中传输而不是在光纤介质中,前者采用光子晶体光纤（PCF）会更具优势,后者则采用空芯光纤,尤其是负曲率空
【基金项目】
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自然科学基金61775146；；国家自然科学基金61805278；
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光纤发展至今已经有50年的历史,光纤被开发出越来越多新的用途。伴随光纤一起发展的光纤激光器也已经成为世界的主流,具有更低的成本和更优异的性能。光纤激光器正往更高功率发展,包括更高的平均功率和更高的峰值功率,而光纤必将面临功率承受限制的问题。能承受高功率的光纤必须具有较大的纤芯尺寸或大部分能量在空气中传输而不是在光纤介质中,前者采用光子晶体光纤（PCF）会更具优势,后者则采用空芯光纤,尤其是负曲率空芯光纤。当前对激光束的应用更多是利用基模或均匀偏振态光,而涡旋光束已被广泛应用于众多研究领域,具有巨大的潜力输出,然而涡旋光束的激光器还处于实验室阶段,未来有待进一步开发和商业化。除了自由空间中的涡旋光束,光纤中的涡旋光束也逐渐被人们挖掘出来。本文研究了负曲率空芯光纤的泄漏损耗特性和光纤内的能量分布特性。演示了光纤实现低传输损耗或有效单模的设计方法,以及光纤具有高损伤阈值的原因。本文还提出了一种全新的涡旋场光纤设计方案,利用热应力双折射导致高阶矢量场之间的模式双折射,用于稳定传输涡旋光束,且可以实现低数值孔径（NA）和大模场面积。该新型光纤主要面向高功率涡旋光束的传输甚至是增益,亦可应用于其它高折射率差环形纤芯光纤所涉及的领域。本文内容主要涉及以下几点:1、介绍了光纤和涡旋光束的一些基本理论、应用和发展现状等。2、研究了负曲率空芯光纤的泄漏损耗特性和光纤内的能量分布特性,用有限元法数值仿真进行了理论研究。3、提出了一种新型涡旋场光纤的设计方案,可以稳定传输涡旋光束,且能够实现低NA和大有效模场面积,因此可以支持高功率涡旋光束传输。详细推算了该新型涡旋场光纤的热应力场分布和双折射分布,提供了设计的基本理论。并且通过有限元法仿真,提供了两种设计方案,从理论上论证了新型涡旋场光纤的优势和实现的可能性。
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