高功率双包层光纤激光器中平方律增益导引光纤的理论研究

论文摘要

双包层光纤激光器是新型光纤激光器发展的代表,它的特点在于不需要将泵浦能量直接耦合到模场直径相对较小的光纤中去,它可以采用低成本的大模场（多模）高功率的半导体激光器作为泵浦源。因为这个优势,近几年来,双包层光纤激光器研究受到了极大的关注。由于双包层光纤激光器的输出功率主要受限于作为增益介质的光纤纤芯的大小,为了提高双包层光纤激光器的输出激光功率,在参照国内外最新研究成果的基础之上,本文就如何提高单模光场下光纤纤芯的横向模场面积提出一种新的方法,为光纤激光器成为一种真正意义上的高功率器件提供了理论与技术上的支持。本文主要可分为三大部分:第一部分主要阐述了双包层光纤激光器的原理、增益导引技术及复合导引光纤的单模传输条件,重点介绍了折射率阶跃变化的增益导引光纤的单模导光机理。第二部分重点介绍了折射率平方律变化的增益导引光纤的单模导光机理。这是本文的主要部分,也是本文主要创新点,为了进一步增大单模光纤纤芯,把芯层与包层间的折射率由阶跃变化推广到平方律渐变,由常规的折射率导光机理可知,平方律渐变光纤相对于阶跃变化的光纤有更好的聚光作用,当我们把折射率拓展到复折射率后,经过与阶跃增益导引光纤类似的处理方法,通过复杂的数学计算与推导,最后得到了比较满意的结果。第三部分进一步研究了复合导引光纤对基模的束缚能力,即LP01模的模式束缚因子。本文从模式束缚因子的定义式出发,由坡印廷定理和LP01模场的表达式,得到了LP01模的模式束缚因子的计算公式,通过数值求解,分别得到了在阶跃与平方律变化光纤中复合导引光纤、纯折射率导引光纤以及纯增益导引光纤中LP01模的模式束缚因子与归一化频率的关系,通过对照分析表明,平方律增益导引光纤有着比阶跃光纤更优良的束缚单模光束的能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 章节安排
• 第二章 双包层光纤激光器
• 2.1 高功率双包层光纤激光器
• 2.2 折射率导引双包层光纤
• 2.3 增益导引双包层光纤
• 2.4 本章小结
• 第三章 阶跃变化增益导引光纤的单模传输条件
• 3.1 大模场光纤激光器
• 3.2 增益导引光纤的理论基础
• 3.2.1 归一化频率
• 3.2.2 复折射率
• 3.2.3 复归一化频率
• 3.3 阶跃复合导引光纤的场解
• 01模和LP₁₁模场解的横向分量表达式'>3.3.1 LP₀₁模和LP₁₁模场解的横向分量表达式
• 01模和LP₁₁模的特征方程'>3.3.2 LP₀₁模和LP₁₁模的特征方程
• 3.4 阶跃增益导引光纤中的单模传输条件
• 3.4.1 增益导引光纤纤芯中的模式传输特性
• 3.4.2 关于（w|～）的讨论
• 3.4.3 单模传输条件
• 3.5 计算结果
• 3.6 小结
• 第四章 平方律增益导引光纤的单模传输条件
• 4.1 各种有包层的方次律变化光纤剖面
• 4.2 平方律复合导引增益导引光纤的场解
• 4.2.1 波动方程
• 4.2.2 平方律复合导引增益导引光纤的场解
• 4.2.3 光纤中各模式出现的先后顺序
• 4.3 单模传输条件
• 4.4 数值求解
• 4.4.1 割线法
• 4.4.2 利用割线法求解特征方程
• 4.5 计算结果
• 2的讨论'>4.6 关于（v|～）²的讨论
• 4.6.1 内包层增益为0的纯增益导引光纤
• 4.6.2 内包层增益为0的复合导引光纤
• 4.6.3 纯增益导引光纤
• 4.7 本章小结
• 第五章 平方律变化增益导引光纤模式束缚因子
• 01模束缚因子计算公式的推导'>5.1 复合导引光纤中LP₀₁模束缚因子计算公式的推导
• 5.2 数值求解
• 5.2.1 积分的数值计算方法
• 5.2.2 模式束缚因子的数值计算方法
• 5.3 计算结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 论文主要内容
• 6.2 下一步需要讨论的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果