大模场面积单模掺铒非均匀布拉格光纤及其器件的研制

论文摘要

稀土掺杂的大模场面积单模光纤及其器件是大功率光纤激光器和放大器的关键组成部分,在光纤通信、传感、制造、医疗、军事等诸多领域都有重要的应用价值。研制开发新型稀土掺杂大模场面积单模光纤是研制高功率高光束质量光纤激光器的基础和保证。本论文结合国家自然科学基金重点项目“面向细粒度光路交换信息安全网的光纤器件”（60837002）和863项目“新型光交换技术”（2008AA012215）,针对稀土掺杂大模场面积光纤及其器件开展深入的理论和实验研究工作,取得的主要创新性成果如下：1.提出非均匀Bragg光纤结构,以在稀土掺杂光纤现有成熟技术的基础上,通过工艺改进制作稀土掺杂的大模场面积单模光纤,大为简化了这类光纤在设备、技术和控制等方面的制作难度。以理论分析为指导设计结构,在MCVD法结合溶液掺杂技术的基础上,加入针对不同掺杂物的分层控制工艺,成功制作出非均匀Bragg结构的常规掺铒大模场面积单模光纤。研究了不同掺杂物对分层的影响,并提出稀土掺杂非均匀Bragg光纤预制棒制作的分层控制方法,在实验中获得了良好的效果。2.以首创性的新型掺氟疏松层制作工艺为基础,摸索出优化的工艺参数和控制方法,制作出吸收系数峰值100dB/m的高浓度掺铒光纤。这一掺杂方法能够大为缓解稀土元素高浓度掺杂和保证掺杂区低折射率水平之间的矛盾,采用这种新工艺结合相应分层控制技术制作的非均匀Bragg光纤预制棒拉制成的单模光纤,芯区直径显著增加,同时表现出优越的Er3+吸收特性。3.采用特殊的气压控制技术,拉制出大空气孔外包层的双包层光纤以大幅增加光纤的数值孔径。这种结构制作简单,对工艺误差的耐受程度好,大空气孔造成的非圆对称内包层形状有助于降低螺旋光影响,提高泵浦光的吸收效率。4.首创性的提出了一种基于共焦双抛物反射镜的全新激光二极管线阵光束整形办法,这种光束整形方法对于平行光束能够给出最好的整形效果,光束尺寸在整形方向上被大幅压缩,光束的功率密度增加,同时光束的发散角没有增大。在不涉及光束切割的成像光学光束整形办法中,尚未见其他能够在降低光束尺寸的同时不增加光束发散角的整形方法。5.从理论和实验两方面证明在具有光敏性的稀土掺杂大模场面积单模非均匀Bragg光纤上写入光栅构成器件是可行的。实验同时证实非均匀Bragg光纤在氢载后能够提供优良的光敏性,可以很好满足器件构成的需要。光栅退火后仍能保持良好的特性和Er3+吸收系数。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 稀土掺杂大模场面积单模光纤的研究进展
• 1.3 稀土掺杂光纤的制作工艺概述
• 1.4 稀土掺杂光敏光纤的研究进展
• 1.4.1 稀土掺杂光敏光纤的研究目的
• 1.4.2 稀土掺杂光敏光纤的研究进展
• 1.5 本论文的主要工作
• 参考文献
• 2 非均匀布拉格光纤的分析理论和结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 用于分析非均匀布拉格光纤的多层光波导理论
• 2.3 非均匀布拉格光纤结构设计的几个工艺限制
• 2.3.1 MCVD方法对于多层沉积的厚度关系限制
• 2.3.2 MCVD法结合溶液掺杂技术对折射率变化范围的限制
• 2.4 非均匀布拉格光纤结构参数对模式特性的影响
• 2.4.1 用于分析的四类非均匀Bragg光纤结构模型
• 2.4.2 光纤层数和包络对模式特性的影响
• 2.5 小结
• 参考文献
• 3 常规掺饵非均匀布拉格光纤的研制和测试
• 3.1 引言
• 3.2 常规掺饵非均匀布拉格光纤预制棒的研制
• 3.2.1 常规掺饵非均匀布拉格光纤的结构选择
• 3.2.2 常规掺饵非均匀布拉格光纤预制棒的制备方法和制备结果
• 3.2.3 常规掺饵非均匀布拉格光纤预制棒制备的关键问题
• 3.2.4 常规掺饵非均匀布拉格光纤预制棒的层间扩散问题
• 3.3 常规掺饵非均匀布拉格光纤的性能测试
• 3.3.1 光纤的截止波长和模场直径测试
• 3.3.2 光纤的吸收谱和ASE谱测试
• 3.4 非均匀布拉格光纤的熔接藕合效率分析
• 3.5 小结
• 参考文献
• 4 新的疏松层制作工艺下高浓度掺饵光纤的研制和测试
• 4.1 引言
• 4.2 低折射率高浓度掺饵光纤的研制和测试
• 4.3 短长度光纤放大器和长波长光纤放大器
• 4.4 高浓度掺饵非均匀布拉格光纤的研制和测试
• 4.5 全芯区掺杂的高浓度掺饵非均匀布拉格光纤
• 4.6 小结
• 参考文献
• 5 大空气孔外包层的双包层掺饵光纤
• 5.1 引言
• 5.2 大空气孔外包层结构的使用目的
• 5.3 大空气孔外包层双包层光纤与光子晶体双包层光纤的比较
• 5.4 非圆对称形状内包层的双包层光纤
• 5.5 大空气孔外包层掺饵光纤的研制
• 5.6 小结
• 参考文献
• 6 半导体激光二极管线阵的共焦双抛物镜藕合技术
• 6.1 引言
• 6.2 共焦双抛物镜的光束整形原理
• 6.3 平行光的共焦双抛物镜光束整形
• 6.4 非平行光的激光二极管线阵共焦双抛物镜光束整形
• 6.5 小结
• 参考文献
• 7 基于非均匀布拉格光纤的光纤光栅
• 7.1 引言
• 7.2 基于非均匀布拉格光纤的光栅藕合模理论
• 7.2.1 光栅的折射率分布函数
• 7.2.2 基于非均匀布拉格光纤的光栅标量模藕合方程
• 7.2.3 非均匀布拉格光纤光栅中正反向基模之间的藕合
• 7.2.4 非均匀布拉格光纤光栅中基模与反向包层模之间的祸合
• 7.2.5 非均匀布拉格光纤光栅中基模与同向包层模之间的藕合
• 7.3 光纤光栅的制作方法
• 7.3.1 光纤光栅的写入方法
• 7.3.2 光纤的光敏性
• 7.3.3 光纤光栅的实验室写入平台
• 7.3.4 氢载普通光纤光栅的写入后快变化
• 7.4 非均匀布拉格光纤光栅的实验制作
• 7.4.1 氢载前的非均匀布拉格光纤光栅实验写入结果
• 7.4.2 氢载后的非均匀布拉格光纤光栅实验写入结果
• 7.4.3 非均匀Bragg光纤光栅的退火
• 7.4.4 光纤的光敏性分析
• 3+吸收系数的影响'>7.4.5 退火对非均匀Brgag光纤长周期光栅以及Er³⁺吸收系数的影响
• 7.5 小结
• 参考文献
• 8 结束语
• 8.1 本论文的主要研究成果
• 8.2 下一步拟进行的研究工作
• 作者简历
• 学位论文数据集