抗弯曲大模场少模瓣状光纤的研究

论文摘要

激光器的高速发展对输出功率提出了越来越高的要求。光纤激光器相比于传统激光器输出功率更大。但是光纤激光器中的非线性效应和模式不稳定损害了输出光束质量。大模场面积光纤因其低损耗、抗弯曲等优点,能够有效改善光纤激光器的输出光束质量并提高激光器的阈值功率而受到广泛的关注。本文主要研究和设计抗弯曲大模场光纤以期能提升光纤激光器的性能。本文从有限元法出发,利用有限元仿真软件进行仿真分析,通过对结果进行分析,深入研究了传统瓣状光纤、扇形瓣状光纤的性能,并创新性的设计了一种新型大模场面积光纤。本文的主要工作和创新成果如下:（1）分析了传统瓣状光纤（Segmented Cladding Fiber,SCF）的弯曲特性和模场面积随着SCF各个参数变化的趋势,并对SCF结构进行优化。当纤芯半径为20μm,弯曲半径为15cm时,SCF的模场面积为817μm2。光纤的最小高阶模和基模损耗比为38,具有良好的单模特性和较大的模场面积。（2）研究分析了扇形瓣状光纤（Fan-segmented high index claddings SCF,FHC-SCF）的结构,分析并对比其弯曲特性和模场面积随着光纤参数变化的趋势,并对FHC-SCF进行结构优化。当光纤纤芯半径为20μm,弯曲半径为15cm时,模场面积为804μm2,最小高阶模和基模损耗比为40。（3）提出了一种沟槽辅助型扇形瓣状光纤（Trench-Assisted Fan-Segmented Cladding Fiber,TA-FSCF）,并对比该光纤和SCF、FHC-SCF的性能。与SCF相比,当该TA-FSCF最小高阶模和基模损耗比与SCF相接近时,TA-FSCF的模场面积大于SCF的模场面积。与FHC-SCF对比,TA-FSCF的模场面积和最小高阶模和基模损耗比为均大于FHC-SCF。TA-FSCF的性能完全优于FHC-SCF。（4）分析了 TA-FSCF的弯曲性能和基模模场面积随着光纤结构参数的变化,优化光纤结构参数,设计性能比较均衡的抗弯曲大模场面积光纤。通过研究抗弯曲大模场面积光纤,优化光纤结构,设计出具有较大模场面积、良好单模特性的弯曲不敏感大模场面积光纤,这为光纤激光器的大功率输出提供了良好的基础和设计指导。

论文目录

致谢

摘要

ABSTRACT

1 引言

1.1 研究背景

1.2 大模场面积光纤研究现状

1.3 大模场光纤的限制因素

1.4 弯曲不敏感大模场光纤的应用场景

1.5 本论文的主要工作

2 大模场面积光纤的分析方法

2.1 大模场面积光纤的数值分析方法

2.2 有限元法

2.3 弯曲等效折射率模型

2.4 模场直径以及模式损耗的计算

2.4.1 模场直径的计算

2.4.2 模式损耗的计算

2.5 本章小结

3 瓣状光纤性能分析

3.1 传统瓣状光纤性能分析

3.1.1 有限元法分析瓣状光纤

3.1.2 瓣状光纤的性能分析

3.1 扇形瓣状光纤性能分析

3.2.1 扇形瓣状光纤结构分析

3.2.2 扇形瓣状光纤的性能分析

3.3 本章小结

4 大模场面积沟槽辅助扇形瓣状光纤

4.1 多层沟壑光纤

4.2 沟槽辅助扇形瓣状光纤结构及模式特性

4.2.1 沟槽辅助扇形瓣状光纤结构

4.2.2 模式特性及弯曲半径对光纤特性的影响

4.3 沟槽辅助型扇形瓣状光纤与瓣状光纤的性能比较

4.3.1 与传统瓣状光纤的性能比较

4.3.2 与扇形瓣状光纤性能对比

4.4 沟槽辅助型扇形瓣状光纤性能分析

4.5 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘诗男

导师: 宁提纲

关键词: 弯曲不敏感,大模场面积光纤,少模光纤,瓣状光纤,光纤激光器

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 北京交通大学

分类号: TN253

DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.001337

总页数: 69

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