异质螺旋包层大模场单模光纤的设计、制备与性能研究

【摘要】：由于非线性效应产生的阈值功率与光纤的有效模场面积成正比关系,因此目前解决光纤激光器功率密度提升过程中面临的非线性效应、光学损伤等问题的最直接就是采用大模场面积光纤。本文通过调研目前常见的大模场光纤,提出了异质螺旋包层大模场光纤结构,通过COMSOL Multiphysics软件对该光纤的仿真分析;设计并制备出掺钕磷酸盐异质螺旋包层大模场光纤,对光纤的性能进行了一系列的测试,同时完成光纤放大器的实验研究。1、通过COMSOL Multiphysics软件进行了光纤理论仿真,主要利用有限元法展开;介绍了笛卡尔坐标系与传统PML,并通过理论推导实现了到螺旋坐标系与螺旋PML的转换,进而实现了将该光纤三维模型简化为二维模型,从而将复杂的问题简化,使计算与分析过程更加简单快速;详细介绍了本文设计的光纤结构,演示了使用COMSOL Multiphysics软件的二维建模过程;分别研究了纤芯芯径尺寸、螺距、高折射率包层尺寸对光纤限制损耗的影响,同时研究了光纤的模场面积特性。2、进行光学玻璃的设计与制备。探究了大块玻璃材料的制备工艺,并制备了大块激光玻璃、大折射率包层玻璃与小折射率包层玻璃,并测试了激光玻璃材料的一系列性能指标:透过光谱、吸收光谱等,并计算了激光玻璃中羟基OH~-羟基含量。为后续的光纤拉制奠定了夯实的基础。3、根据光纤结构,利用已制备的纤芯激光玻璃与包层玻璃展开异质包层光纤预制棒的制备,并完成异质螺旋包层光纤的拉制,成功制备了不同半径、不同螺距的大模场光纤;对光纤的受激辐射光谱、吸收与损耗进行了测试,得到了光纤的性能数据,并分析了光纤损耗较大的主要原因;进行了光纤放大器的设计,得到了很明显的光信号放大效果。