面向高功率光纤激光器的新型大模场面积光纤研究
高功率光纤激光器，具有结构紧凑、光束质量好、转换效率高、散热好等独特的优势，在军事战术武器、激光雷达、相干光通信、工业加工、激光医疗等领域应用广泛，是国际上激光技术研发领域持续发展的热点方向之一。随着高功率光纤激光器输出功率的迅速攀升，增益光纤中非线性效应和横模不稳定性问题已成为其进一步发展的瓶颈，亟待突破。大模场面积(LargeModeArea,LMA)单模光纤，在增大模场面积的同时，保持单模运转，可以大幅度降低非线性效应的影响，解决横模不稳定性问题，是从基础材料层面支撑光纤激光器向更高功率、更好的光束质量及更高稳定性发展的关键所在，对突破限制高功率激光器发展的瓶颈具有重要意义和推动作用。本学位论文是在国家自然科学基金项目和北京交通大学博士生创新基金项目的联合资助下，面向高功率光纤激光器发展的迫切需求，从LMA光纤应用机制、微结构设计和制备可行性等多层面出发，开展新型LMA光纤研究探索工作。取得的主要创新成果有： 1.提出一种新型抗弯曲LMA侧漏光子晶体光纤。在传统光子晶体光纤包层中，引入线缺陷泄漏通道，在小弯曲半径下同时实现优异的LMA和单模性能。对于2μm工作波长及10cm弯曲半径，模场面积达2068μm2，高阶模损耗比(HigherOrderModeLossRatio,HOMLR)高达2244，单模带宽覆盖1.75μm至2.5μm的波长范围，且在9cm至24cm弯曲半径范围内维持单模，展现出优异的抗弯曲特性。增大弯曲半径可提高单模热负载范围。较之现有泄漏型光子晶体光纤，不仅压缩应用弯曲半径，且模场面积和单模性能均有提升。研究成果将推进高功率掺铥光纤激光器小型化、集成化的发展。 2.提出一种新型全固态抗弯曲LMA像素型泄漏通道光纤。通过离散化思想，将沟槽型光纤和侧漏光子晶体光纤结构相结合，排除空气孔结构，以解决空气孔带来的散热和熔接问题，实现LMA、稳健单模和低弯曲损耗特性。在2μm波长、10cm弯曲半径应用下，模场面积可达1764μm2，最大HOMLR可提升至105量级，远高于现有报道的LMA光纤的水平，单模带宽达400nm，覆盖1.75μm至2.15μm的波长范围。且在大热负载范围内具有优异单模特性。较之开槽或引入瓣状包层等旨在提升单模性能的全固态LMA光纤设计，制备可行性更高。 3.首次提出LMA非均一棒单层全固态反谐振光纤(AllSolidAnti-ResonantFiber,AS-ARF)。将反谐振导光机制引入全固态光纤结构设计，以打破现有导光机制存在的固有限制。通过在包层中引入两种尺寸的包层棒，有效提高了高阶模抑制能力。对于工作波长1.064μm，最大单模芯径可扩展至57μm，HOMLR高达103，单模特性优异。通过结构参数调整，可将工作波长移至1.55μm和2μm，结构设计具有普适性。研究成果有力地证明反谐振导光机制在LMA光纤优异特性实现方面具有极大潜能，为未来LMA光纤发展指明一条可行途径。 4.提出一种超大模场面积双层AS-ARF。利用模式泄漏原理，在AS-ARF中引入两层环形排布的包层棒，不仅能在大芯径下实现对高阶模的充分抑制，还可实现基模的低损耗传输。对于工作波长1.064μm，在80μm大芯径下以2096的HOMLR保障稳健单模特性，模场面积达3041μm2。进一步增大芯径，单模芯径可扩展至124μm，实现7481μm2的超大模场面积。较之同为超大模场面积光纤的大间距光纤，该光纤的弯曲特性更为优异。此外，工作于弯曲状态，可提高其单模热负载范围，是一种非常适用于高功率光纤激光器应用的性能优异的新型超大模场面积光纤。
高功率光纤激光器;大模场面积光纤;抗弯曲;全固态反谐振光纤;光束质量
北京交通大学
博士
通信与信息系统
娄淑琴
2022
中文
TN248
2023-01-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）