掺镱光子晶体光纤的制备及其特性研究毕业设计.doc

掺镱光子晶体光纤的制备及其特性研究 第1章 绪论 1.1课题研究背景和意义 自从八十年代中期开发出掺稀土离子单模光纤制造技术以后，掺稀土离子光纤及器件方面的研究取得了巨大进展。 掺光子晶体光纤具有增益带宽宽、量子效率高以及无激发态吸收等特点，这些特点使得以其为增益介质、采用半导体激光器抽运的光纤激光器具有稳定、全固化和体积小等优点。自1999年V．Dominic等人获得110w@ 1120 nm激光输出后，千瓦量级的包层泵浦掺光纤激光器也陆续见报[1]。在国内，许多科研单位都在大功率激光器方面进行了研究，取得了一定的成果[2~3]，但大多数研究工作都是在购买国外成品光纤的基础上进行的，很少有关于大功率激光器用掺光子晶体光纤的设计与制作工艺方面的研究报告[3~4]。依托项目支持，北京交通大学光波技术研究所从2000年开始便在这方面进行了大量的理论和试验研究工作。以这些工作为基础，制作出了单包层高掺石英光纤样品，通过对所研制的试验样品的几何参数和吸收谱进行测量和分析，从工艺角度就如何实现高浓度、高质量的掺杂等进行了讨论，得出一些对今后的工艺实验具有指导意义的结论。 双包层掺镱光纤是指在光纤的芯部掺入稀土离子(主要是镱离子)的特种光纤，在光纤中掺入镱离子的目的是使普通的被动传输光纤变为具有放大能力的主动光纤。作为激光器的增益介质，它的作用是将泵光转化为激光，实现激光器的激光输出。而大模面积掺镱双包层光纤则是制备实现高功率激光输出的高功率光纤激光器的核心部件，采用该光纤可以实现激光器单纤千瓦量级的激光输出。 到目前已出现了许多掺稀土光纤激光器，尽管其输出功率达几十瓦，但其效率不超过50％-60％。双包层掺镱光纤的出现使激光器的输出功率大大提高[5]。双包层结构的掺石英光纤包含三层：含有的单模芯层；石英基质内包层；折射率远低于内包层的聚合物外包层。它的纤芯和内包层满足单模光纤的传输条件，而内外包层之间却形成了一个多模光波导层，这样大大增加了泵浦光的接受面积，从而得到更大功率的信号光，使光纤激光器的输出功率大幅度提高。因而高功率双包层掺镱光纤作为研制高功率光纤激光器、光纤放大器不可或缺的关键部件，具有非常重要的作用。用它研制的新型高功率、长寿命、小体积、大功率光纤激光器具有非常广阔的潜在应用市场，可为惯性约束核聚变激光驱动器的前端系统(激光点火装置)及激光武器提供很好的服务，满足国防建设中在核爆模拟、航天航空、大功率激光武器等领域的重点工程中迫切需要的光纤激光器与放大器的需求。 1.2掺镱光子晶体光纤的研究现状 光子晶体光纤是一个新兴的研究领域，继1987年E. Yablonovitch和S. John创造性地提出了光子晶体的概念之后光子晶体光纤得到了快速的发展。 掺镱光子晶体光纤的发展起源于光纤激光器的研究，它的发展伴随着大功率光纤激光器的发展。 1999年，国内首次报道了武汉邮科院采用MCVD工艺研制出简单梯度掺单模石英光纤和双包层结构掺石英光纤。双包层掺石英光纤具有适合半导体激光器阵列泵浦、泵浦耦合效率高、激光输出功率高等特点，是掺镱石英光纤的主要发展方向。 2001年，英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。双包层光子晶体光纤掺杂离子为离子，纤芯直径15.2 μm，数值孔径0.11，内包层直径150 μm，数值孔径0.8，利用20W光纤耦合二极管阵列泵浦该光纤，光纤长度为17 m ，获得了3.9W功率输出，斜效率21%。 2002年，我国深圳大学工程技术学院采用30 m D型掺双包层光纤，成功获得8.6 W 的激光输出。 2002年上半年，南开大学物理科学学院对掺双包层光纤激光器进行 了混合调Q的实验研究，在连续泵浦状态下，当入纤泵浦功率为124 W时，在1 080～1 119 nm的可调谐范围内，国内首次实现了输出脉宽小于6 ns、重复频率为15 kHz、脉冲能量高于80、峰值功率高于133 kW 的稳定脉冲输出。 国内PCF激光器的研究刚刚起步，南开大学物理学院张炜、深圳大学工程技术学院阮双琛和天津大学精仪学院的姚建铨等相继报道了关于掺双包层光子晶体光纤激光器的研究工作，但全部采用进口的光子晶体光纤。掺的光纤具有高的吸收带宽和发射带宽，可以选择多种激光器作为泵浦源具有高的吸收和转换效率，离子掺杂光纤适合于发展高功率激光器件，因此掺pCF必将开创高功率光纤激光器新的光明前景。 1.3本论文主要研究内容 本论文基于上述问题开展了相关研究工作，主要研究内容包括： (1)对掺镱光子晶体光纤的基础理论做了详细的研究和分析。 (2)详细介绍了制作光子晶体光纤的整个过程，并研究的在拉丝过程中各个参数对拉制结果的影向。 (3)对制作好的掺镱光子晶体光纤的损耗、荧光效应和模场特性进行了性能分析。