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大模场光纤波导特性的理论研究

作　者: 谭晓玲
导　师: 姚建铨
学　校: 天津大学
专　业: 光电子技术
关键词: 高功率光纤激光器 大模场光纤 增益导引光纤 光子晶体光纤 光子带隙光纤 模式截止 弯曲损耗
分类号: TN252
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


高功率光纤激光器由于在效率、散热和光束质量方面的优势,在工业加工、医疗和国防等领域具有广泛的应用前景,是目前国际上激光技术研究的热点之一。然而,非线性效应限制了高效率光纤激光器输出功率的进一步提高,抑制非线性效应最直接的办法就是采用大模场面积的光纤。但是光纤横截面尺寸的增加,将导致光纤多模运转,并且抗弯曲性差,因此探索和设计抗弯曲、单模运转大模场光纤对高功率光纤激光器的发展具有重要的意义。本文的主要内容和创新点归纳如下:1.分析了增益导引光纤中,增益因子对折射率以及归一化频率的影响,得到了光纤中各阶模式截止条件与芯包层折射率差和增益因子的关系。分析了腔镜反射率对增益导引折射率反导引光纤激光器单模运转的影响,数值模拟了增益系数和负折射率差值对模场分布的影响,得出了设计百微米芯径光纤的条件,以及增益对模式束缚因子的影响。2.采用有效折射率法、有效面积法和限制损耗法对光子晶体光纤的二阶模和基摸的模式截止特性进行了理论分析,得到了光子晶体光纤单模运转的相位图,并对三种方法进行了比较。设计了新颖结构八角格子光子晶体光纤,发现其基模分布形状好,更接近圆形,相同面积填充率时单模运转区域比六角排列的要宽,并且作为色散补偿光纤更有优势。3.对大模场光子晶体光纤的弯曲特性进行了理论研究。发现当大模场光子晶体光纤弯曲时,光纤的模式发生畸变,弯曲半径比较小时,光纤的归一化传播常数、模场面积急剧减小,并且空气孔填充率越大,抗弯曲性越好。对于一定的波长,填充率不变时,归一化传播常数和归一化模场面积随归一化弯曲半径的变化规律是相同的,这对于弯曲光子晶体光纤的模式扩展具有重要意义。同时观察到了弯曲损耗振荡现象,用解析方法和有限差分法进行了研究,发现两种方法吻合的较好。4.基于反谐振模型,将全固态光子带隙光纤等效为一维平面波导,研究了其光谱图和波长截至条件,采用平面波方法和有限元法对全固态光子带隙光纤的带隙特性、模式截止和损耗特性进行了理论研究。计算了包层高折射率掺杂为环状结构全固态光子带隙光纤的损耗特性,结果表明通过增大内环尺寸可以有效的减小光纤的弯曲损耗和限制损耗,为大模场光纤的设计开辟了新的途径。5.研究了三种不同排列方式的双芯光子晶体光纤模式分布、光纤结构和纤芯距离等对耦合长度的影响,以及包层为圆角六边形空气孔光子带隙光纤的耦合特性,并与相同结构参数时圆空气孔光子带隙光纤耦合长度、无耦合情况进行了比较。对双芯环状结构全固态光子带隙的耦合特性进行了理论分析。分析了不同入射情况下三芯光子晶体光纤的耦合特性,以及耦合长度对光纤结构参数的敏感性,为光子晶体光纤激光器的相干合成技术提供了理论依据。

全文目录


中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-27
  1.1 高功率光纤激光器的特点及应用  9-10
  1.2 高功率光纤激光器的研究进展  10-17
  1.3 大模场光纤波导特性  17-25
  1.4 选题意义和研究内容  25-27
第二章 有限差分法的基本理论  27-41
  2.1 几种数值方法简介  27-28
  2.2 有限差分的网格划分法  28-30
  2.3 电场矢量 E 差分  30-34
  2.4 磁场 H 差分  34-36
  2.5 吸收边界条件  36-37
  2.6 有限差分法验证  37-39
  2.7 本章小结  39-41
第三章 大模场增益导引光纤特性研究  41-55
  3.1 复折射率定义  41-44
  3.2 模式运转特性  44-49
  3.3 模式增益阈值  49-51
  3.4 模场分布  51-53
  3.5 模式束缚因子  53-54
  3.6 本章小结  54-55
第四章 大模场光子晶体光纤模式截止特性的研究  55-71
  4.1 有效折射率法  55-57
  4.2 有效面积方法  57-61
  4.3 限制损耗方法  61-64
  4.4 八角格子 PCF 模式特性  64-70
  4.5 本章小结  70-71
第五章 大模场光子晶体光纤弯曲特性的研究工作  71-93
  5.1 弯曲 PCFs 基本理论  71-75
  5.2 弯曲 PCFs 的模场畸变  75-76
  5.3 弯曲 PCFs 的归一化常数  76-77
  5.4 弯曲 PCFs 的模面积  77-81
  5.5 弯曲 PCFs 弯曲损耗振荡  81-90
  5.6 本章小结  90-93
第六章 全固态环状光子带隙光纤的研究  93-109
  6.1 反谐振模型  93-98
  6.2 全固态光子带隙光纤带隙特性  98-99
  6.3 全固态光子带隙光纤模式特性  99-102
  6.4 环状全固态光子带隙光纤  102-107
  6.5 本章小结  107-109
第七章 多芯光子晶体光纤耦合特性研究  109-129
  7.1 模式耦合理论  110
  7.2 双芯 PCFs 耦合特性  110-114
  7.3 双芯空气孔 PBG 耦合特性  114-118
  7.4 双芯全固态 PBG 耦合特性  118-122
  7.5 三芯 PCFs 耦合特性  122-127
  7.6 本章小结  127-129
参考文献  129-147
发表论文和科研情况  147-149
致谢  149

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 波导光学与集成光学 > 光波导
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