摻稀土光子晶體光纖制備及其特性研究.pdf

1、本論文針對常規(guī)摻稀土光纖在光纖激光器應用實際工作中面臨的三個科學問題，包括大芯徑光纖與輸出激光的光束質(zhì)量問題、高效耦合問題及光暗化問題，展開研究。
　　 首先設計摻鐿和摻鉺光子晶體光纖的波導結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出光子晶體光纖高溫熔體流體力學模型，研究出光子晶體光纖的制備工藝；然后，制備出摻鐿光子晶體光纖與摻鉺光子晶體光纖，以及雙包層光纖光柵，并分別將兩種摻稀土光子晶體光纖進行了激光試驗；最后，研究了超大模場摻鐿光纖的制備與光束質(zhì)量特性，分

2、析了摻鐿光纖的光暗化機理，研究了不同材料體系的摻鐿光纖的光暗化特性，提出了相應的解決措施。。
　　 論文的主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下：
　　 （1）完成摻稀土光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)設計，發(fā)現(xiàn)在d/Λ≤0.30，Λ≤15λ時，大芯徑光纖可以維持單模工作特性；外包層大空氣孔徑向尺寸w≥ 3λ，大空氣孔之間的橋?qū)抌≤0.5λ，可以獲得高于0.7以上的內(nèi)包層數(shù)值孔徑，并制備出纖芯直徑為43微米的大模場雙包層摻鐿光子晶體光纖，測試表明其具

3、備單模特性，內(nèi)包層數(shù)值孔徑達到0.65，解決了大纖芯直徑與單模工作特性的矛盾，以及高效耦合的問題。
　　 （2）系統(tǒng)研究摻稀土光子晶體光纖的制備工藝：建立高溫熔體流體力學模型分析不同參數(shù)對工藝敏感度的影響，得出光子晶體光纖較佳拉絲工藝條件：高溫爐溫度為2123K，預制棒的進棒速度大于3mm/min，光纖拉絲速度大于200m/min，毛細管的內(nèi)外壓力差小于300pa。針對稀土離子傳統(tǒng)液相摻雜工藝的缺陷，探索出稀土離子的全氣相沉積工

4、藝方法和完整的摻稀土光子晶體光纖制備工藝，并制備出摻鐿光子晶體光纖和摻鉺光子晶體光纖。
　　 （3）研究了雙包層摻鐿光子晶體光纖的激光特性：采用本論文設計并制備的摻鐿光子晶體光纖和光纖光柵，構(gòu)建出全光纖化的摻鐿光子晶體光纖激光器，在915nm 泵浦激光器作用下獲得了中心波長為1080.2nm的3.96W的激光輸出，斜率效率達到79.6％，光束質(zhì)量因子M2 為1.2。該摻鐿光子晶體光纖光譜吸收特性優(yōu)于常規(guī)摻鐿光纖，其在915nm

5、波長和976nm 波長的吸收系數(shù)均高于常規(guī)摻鐿光纖，在915nm 波長的吸收峰較寬，其在兩個吸收峰之間的谷底向長波長移動10nm。原因是空氣石英玻璃網(wǎng)絡電場對鐿離子能級的產(chǎn)生了微擾，導致Stark分裂的新特性，影響了鐿離子2F7/2 → 2F5/2的躍遷特性，從而產(chǎn)生了吸收譜的加寬與加高，以及吸收谷底向長波長的位移。
　　 （4）研究了摻鉺光子晶體光纖及其激光放大特性，發(fā)現(xiàn)增大鉺離子的摻雜區(qū)域，可以有效提升交疊因子，從而提升放大

6、效率。摻鉺光纖的激光放大特性與彎曲損耗特性試驗結(jié)果表明：摻鉺光子晶體光纖與普通摻鉺光纖相比具有較高的增益特性、較好的增益平坦度、以及更好的抗彎曲性能，其原因在于空氣與石英復合結(jié)構(gòu)具備較大的交疊因子和較好地基模光場束縛能力。
　　 （5）研究了超大模場摻鐿光纖：設計并制備出了全新結(jié)構(gòu)的100 微米級超大模場摻鐿雙包層光纖，激光試驗發(fā)現(xiàn)受抑內(nèi)全反射結(jié)構(gòu)的超大模場光纖可以顯著提升輸出激光光束質(zhì)量，該光纖激光在X、Y 方向的平均光束質(zhì)量