增益导引在大模场光纤设计中的应用及弯曲特性分析

论文摘要

光纤激光器由于具有泵浦阈值功率低,大的表面积/体积比,具有良好的散热特性,容易实现单模运转,结构简单,成本低等特点,在光通讯,光传感,先进加工,激光美容,国防军事等领域得到了广泛的应用,已成为固体激光器的一个重要发展方向。特别是高功率激光器成为了研究热点。但是高功率情况,光纤可能存在严重的非线性效应,限制功率的进一步提高,因此设计大模场单模光纤具有重要的意义,对于高功率光纤激光器的发展有促进作用。本文采用A.E.Sigeman的增益导引理论,设计出了大模场单模光纤,纤芯直径达100μm以上,模场直径大于90μm,理论上符合单模传输条件。本文还应用腔模理论,分析了采用增益导引和折射率反导引方法设计的大模场单模光纤激光器单模运转条件。并以时域有限差分这一常用数值计算方法,研究了弯曲对大模场光纤传输特性的影响。在重要学术刊物上发表论文一篇,重要学术会议报告一次。本文取得的创新性之处主要有:1.采用A.E.Sigeman的增益导引理论,设计出了大模场单模光纤,给出了具体的数值,并从理论上计算了所设计的大模场光纤的模场分布,得出其模场直径大于90μm,单模运转。2.分析了光纤激光器谐振腔的端面镜反射率和纤芯半径,增益以及折射率的关系,为大模场光纤激光器单模运转选择合适的腔镜提供了依据。3.采用时域有限差分方法,分析了大模场单模光纤的弯曲特性,包括弯曲对大模场单模光纤模场分布的影响,大模场单模光纤的弯曲损耗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 大模场单模光纤
• 1.1.1 大模场双包层光纤
• 1.1.2 大模场面积模式控制
• 1.1.2.1 复合导引法
• 1.1.2.2 光子晶体光纤法
• 1.1.2.3 模式转换法
• 1.2 弯曲损耗
• 1.3 光纤激光器
• 1.3.1 双包层光纤激光器的优点
• 1.3.2 光纤激光器的应用
• 1.4 本论文研究内容
• 第二章 光纤理论与时域有限差分方法
• 2.1 光纤的模式理论
• 2.1.1 光频的Maxwell 方程
• 2.1.2 阶跃光纤中的光场
• 2.1.3 阶跃光纤的本征方程和模式
• 2.2 时域有限差分方法
• 2.2.1 差分公式的推导
• 2.2.2 稳定性准则
• 2.2.3 PML 吸收边界
• 2.2.4 Compact 2-D FDTD 程序
• 第三章 增益导引理论在大模场光纤设计中的应用
• 3.1 增益导引平板波导
• 3.1.1 复数形式归一化频率的引入
• 3.1.2 增益导引平板波导中的模式
• 3.1.3 小结
• 3.2 增益导引光纤
• 3.2.1 复数形式归一化频率的引入
• 3.2.2 增益导引光纤中的模式
• 3.2.3 小结
• 3.3 增益导引在大模场单模光纤设计中的应用
• 3.3.1 模式的增益阈值
• 3.3.2 增益和折射率差对模场分布的影响
• 3.3.3 纤芯半径对增益因子和折射率差的影响
• 3.3.4 理论模拟与结果分析
• 3.3.5 小结
• 3.4 大模场光纤激光器的实现
• 3.4.1 单模输出条件
• 3.4.2 端面反射率与纤芯半径的关系
• 3.4.3 端面反射率与增益介质长度的关系
• 3.4.4 小结
• 第四章 大模场光纤弯曲特性
• 4.1 弯曲光纤特性
• 4.1.1 弯曲光纤的V 参数和? 参数
• 4.1.2 小结
• 4.2 弯曲光纤的模式
• 4.2.1 光纤模式扩展的条件
• 4.2.2 弯曲对大模场光纤模式分布的影响
• 4.2.3 耳语廊模
• 4.2.4 小结
• 4.3 弯曲损耗
• 4.3.1 弯曲损耗的机理
• 4.3.2 宏弯损耗的计算
• 4.3.3 微弯损耗
• 4.3.4 小结
• 第五章 光纤激光器研究
• 5.1 光纤激光器的基本理论
• 5.1.1 光纤激光器的阈值
• 5.1.2 光纤激光器的功率分布
• 5.2 数值模拟与分析
• 5.3 实验研究
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表的论文与参与的科研项目
• 致谢