掺稀土光子晶体光纤制备及其特性研究

【摘要】：本论文针对常规掺稀土光纤在光纤激光器应用实际工作中面临的三个科学问题,包括大芯径光纤与输出激光的光束质量问题、高效耦合问题及光暗化问题,展开研究。首先设计掺镱和掺铒光子晶体光纤的波导结构,构建出光子晶体光纤高温熔体流体力学模型,研究出光子晶体光纤的制备工艺；然后,制备出掺镱光子晶体光纤与掺铒光子晶体光纤,以及双包层光纤光栅,并分别将两种掺稀土光子晶体光纤进行了激光试验；最后,研究了超大模场掺镱光纤的制备与光束质量特性,分析了掺镱光纤的光暗化机理,研究了不同材料体系的掺镱光纤的光暗化特性,提出了相应的解决措施。。 论文的主要研究内容与结果如下： (1)完成掺稀土光子晶体光纤的结构设计,发现在d/Λ≤0.30,Λ≤15λ时,大芯径光纤可以维持单模工作特性；外包层大空气孔径向尺寸w≥3λ,大空气孔之间的桥宽b≤0.5λ,可以获得高于0.7以上的内包层数值孔径,并制备出纤芯直径为43微米的大模场双包层掺镱光子晶体光纤,测试表明其具备单模特性,内包层数值孔径达到0.65,解决了大纤芯直径与单模工作特性的矛盾,以及高效耦合的问题。 (2)系统研究掺稀土光子晶体光纤的制备工艺：建立高温熔体流体力学模型分析不同参数对工艺敏感度的影响,得出光子晶体光纤较佳拉丝工艺条件：高温炉温度为2123K,预制棒的进棒速度大于3mm/min,光纤拉丝速度大于200m/min,毛细管的内外压力差小于300pa。针对稀土离子传统液相掺杂工艺的缺陷,探索出稀土离子的全气相沉积工艺方法和完整的掺稀土光子晶体光纤制备工艺,并制备出掺镱光子晶体光纤和掺铒光子晶体光纤。 (3)研究了双包层掺镱光子晶体光纤的激光特性：采用本论文设计并制备的掺镱光子晶体光纤和光纤光栅,构建出全光纤化的掺镱光子晶体光纤激光器,在915nm泵浦激光器作用下获得了中心波长为1080.2nm的3.96W的激光输出,斜率效率达到79.6%,光束质量因子M2为1.2。该掺镱光子晶体光纤光谱吸收特性优于常规掺镱光纤,其在915nm波长和976nm波长的吸收系数均高于常规掺镱光纤,在915nm波长的吸收峰较宽,其在两个吸收峰之间的谷底向长波长移动10nm。原因是空气石英玻璃网络电场对镱离子能级的产生了微扰,导致Stark分裂的新特性,影响了镱离子2F7/2→2F5/2的跃迁特性,从而产生了吸收谱的加宽与加高,以及吸收谷底向长波长的位移。 (4)研究了掺铒光子晶体光纤及其激光放大特性,发现增大铒离子的掺杂区域,可以有效提升交叠因子,从而提升放大效率。掺铒光纤的激光放大特性与弯曲损耗特性试验结果表明：掺铒光子晶体光纤与普通掺铒光纤相比具有较高的增益特性、较好的增益平坦度、以及更好的抗弯曲性能,其原因在于空气与石英复合结构具备较大的交叠因子和较好地基模光场束缚能力。 (5)研究了超大模场掺镱光纤：设计并制备出了全新结构的100微米级超大模场掺镱双包层光纤,激光试验发现受抑内全反射结构的超大模场光纤可以显著提升输出激光光束质量,该光纤激光在X、Y方向的平均光束质量因子M2分别为2.977和2.583,光束质量因子与常规大芯径光纤相比减小40%以上。 (6)研究了掺镱光纤的光暗化特性：在分析光暗化机理的基础上,制备了不同材料配方的掺镱光纤。泵浦激光老化试验和激光功率稳定性试验表明：高镱离子浓度掺杂的掺镱光纤较为容易产生光暗化现象；而铝离子和磷离子的共掺剂引入的掺镱光纤,其光暗化效应显著降低。