空气包层大模场面积掺镱光子晶体光纤研究

采用改进的化学气相沉积法和气相液相混合掺杂技术制备大芯径掺镱石英光纤预制棒, 以此作为有源纤芯制备了纤芯直径约90 μm的掺镱双包层光子晶体光纤, 纤芯组分为镱铝磷共掺.双包层光子晶体光纤的模场面积约1330 μm², 纤芯数值孔径0.065,包层数值孔径0.5.首次实现了国产掺镱光子晶体光纤的高功率高效率激光输出, 1 m长的光子晶体光纤激光器实现102 W 激光输出,斜率效率76%.     

光子晶体光纤数值孔径的测量和数值研究

光纤的数值孔径是光纤的重要参数,大数值孔径光纤在激光器和激光感应荧光系统中有很好的应用前景。光子晶体光纤的数值孔径与传统阶跃型光纤不同,它与光波长有密切的关系。因此,本文用光谱仪测量了不同结构的折射率引导型光子晶体光纤的数值孔径,并进行了数值模拟,研究了光波长、包层空气孔直径、孔间距等对光子晶体光纤数值孔径的影响,同时对光子晶体光纤的非线性系数、宏弯损耗、截止波长、有效模面积等与光波长有关的参数进行了研究,取得了满意的结果。     

大模面积掺Yb~(3+)七芯光子晶体光纤的设计

要提高七芯光子晶体光纤激光器的输出功率,必须要增大七芯光子晶体光纤的有效模面积,并且需要纤芯间具有较强的耦合作用,以保证各纤芯输出的光束保持同相位。为了更直观的分析七芯光子晶体光纤的有效模场面积和纤芯间耦合强度的关系,根据七芯光子晶体光纤7个超模的特征,给出了七芯光子晶体光纤耦合长度的一种计算方法。利用多极法和有限差分光束传播法分析了七芯光子晶体光纤的结构对有效模场面积和耦合长度的影响。通过优化七芯光子晶体光纤的结构,设计了一种外层空气孔较大,内层空气孔较小的七芯光子晶体光纤,其有效模场面积高达3703μm2,耦合长度仅为13310μm。     

高功率光纤激光器全内反射型大模场光子晶体光纤设计

在高功率密度下产生的非线性效应和材料损伤等问题限制了光纤激光器输出功率的进一步提高。利用大模场光纤降低光纤能量密度,提高非线性阈值是一种最为直接和有效的手段。以空气孔尺寸为光波长量级的全内反射型光子晶体光纤为对象,采用等效折射率模型分析了光子晶体光纤的单模特性,利用有限元法分析了结构参数对光子晶体光纤的模场面积和色散等光束质量参数的影响。设计了一种工作波长为0.40~1.55μm,模场面积为112.74~258.87μm2,且在1.27μm附近可补偿色散的大模场光子晶体光纤。该研究可为高功率光纤激光器大模场光纤的进一步参数优化设计及元件加工提供重要参考。     

石墨烯包层结构光子晶体光纤的高双折射特性

将PG玻璃材料制作成的椭圆纤芯引入光子晶体光纤中心,设计了一种石墨烯包层结构的高双折射光子晶体光纤.基于有限元法对该光纤的双折射特性进行了数值模拟,研究了光纤孔径比、孔间距和纤芯椭圆对双折射特性的影响,并以该光子晶体光纤的模场面积和限制性损耗为依据进行了优化.研究结果表明:在波长1 550nm处,光纤双折射率高达0.13,满足高双折射要求;两偏振方向模场面积小于0.7μm2,限制性损耗低于10-6 dB/km.该光纤可有效保持光在传输系统中的偏振状态,为高稳定性超连续谱的产生提供依据.     

大模面积平顶模场光子晶体光纤模式分析

通过全矢量有限差分法数值模拟,设计了一种大模面积平顶模场光子晶体光纤。光纤截面上空气孔为三角形格子分布,中心七个空气孔缺失并在其中心引入一低折射率区域。分析了内纤芯大小、空气孔间距和空气孔相对大小等参数变化对内纤芯折射率、基模模面积等特性的影响。给出了工艺上简单易行的平顶模场光子晶体光纤结构,其平顶模面积可达2000μm2。发现增加内纤芯尺寸和导光波长,降低空气孔相对尺寸,可以减少光纤中的高阶模含量。     

一种阶梯结构的色散平坦光子晶体光纤的研究

以多极法理论为基础,提出了一种阶梯结构的光子晶体光纤.通过改变其内四层的三个结构参量(内两层孔孔径,外两层孔孔径和孔间距),实现色散绝对值在1.1～1.8μm的波段内变化仅为0.05～2 ps/(km·nm)的平坦甚至超平坦的特性.在此情况下对其有效模场面积进行数值模拟,充分展示了达到色散平坦和超平坦时,相对于传统光子晶体光纤,此种结构的光纤对芯区内光场的局域能力有很大程度的增强,其有效模场面积可仅为传统光子晶体光纤的1/30.最后,经过大量的数值计算和理论分析,归纳出若要此种阶梯结构的光纤在1.1～1.8μm的波段内达到色散平坦甚至超平坦特性的设计依据.     

国产掺镱双包层光纤的激光特性

 采用MCVD方法研发了掺镱双包层光纤，并对其结构特性、荧光特性和激光特性进行了测试和研究。其D形内包层尺寸为400/450μm，数值孔径为0.36,纤芯直径约为16μm，数值孔径约为0.18。荧光谱线的范围为1 000~1 140 nm，1 030 nm处的峰宽大于50 nm。采用大功率激光二极管单端泵浦6 m长的双包层光纤，在泵浦入纤功率为61 W时， 获得了32 W的激光输出，斜率效率为64%。该光纤在高功率处未发现饱和现象，通过优化光纤参数与泵浦方式还可以提高转化效率和输出功率。实验表明该光纤可以取代进口光纤用作高功率激光器件。     

近椭圆内包层高双折射偏振稳定光子晶体光纤设计及特性分析

设计了一种新型近椭圆内包层(NEIC)结构的高双折射偏振保持光子晶体光纤(PCF),并利用带有各向异性完全匹配层吸收边界条件的全矢量有限元法(FEM)对这种光纤的特性参数进行了数值分析.结果表明这种结构的光子晶体光纤在1.55μm的双折射系数高达2.0×10^-3,在长轴和短轴方向上的模场直径分别为9.2μm和2.4μm.同时当短轴方向最内层空气孔的孔径在1.30—1.18μm范围内变化时(孔径变化范围～10%),其双折射系数的劣化小于1.2×10^-5,表明这种结 关键词： 光子晶体光纤 双折射 近椭圆内包层 偏振稳定性     

新型高双折射光子晶体光纤特性分析

将单模光子晶体光纤的空气孔设计成椭圆形增加其结构的不对称性,可以破坏模式中两偏振态的简并,达到实现双折射特性的目的.据此,提出了一种新型的高双折射光子晶体光纤.该模型通过在纤芯引入两个小空气孔以及将包层的第一环和中间一行变为椭圆空气孔来造成光纤模式的不对称性,获得了高双折射特性.之后对该结构的色散特性及模场面积等特性进行了数值模拟,并且讨论了外包层空气孔的几何参数改变对于该模型色散特性的影响.采用全矢量平面波展开法,并且以完美匹配层作为边界条件对该结构光子晶体光纤的上述特性进行分析.结果表明,该结构光子晶体光纤可以在较宽的波长范围内产生10-3量级的模式双折射,并且从1 100～1 800nm范围内具有平坦色散特性,同时具有小模场面积特性.为基于超平坦色散、高双折射和高非线性光子晶体光纤的光纤器件的制作和应用提供理论基础.     

Scaling of Yb-doped photonic crystal fiber to 200 μm core diameter for high beam quality laser output

The rare earth-doped active fibers not only have ten thousands of square-micron core-area but also deliver a laser with near-diffraction-limited beam quality. However, they have been studied little. In this paper, we design a 200-μm-corediameter Yb~(3+)-doped photonic crystal fiber with a large pitch in the air-hole cladding region. Simulations demonstrate that only fundamental mode(FM) with a mode field area(MFA) of ～ 28000 μm~2 can be amplified and propagated at the gain saturation, and the beam quality M~2 is about 1.5. It is predicted that almost 105 m J single-pulse energy is available from such a 1.5-meter-length fiber.     

Er3+单掺和Er3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃的光谱性质及能量传递

采用高温熔融法制备了新型Er3+单掺和Er3 +/Yb3+共掺的TeO2-Bi2O3-SiO2-B2O3玻璃,测试并分析了样品的吸收光谱、发射光谱以及Er3 +/Yb3共掺杂样品的发射光谱和荧光寿命.计算出了玻璃的J-O强度系数Ωt(t=2,4,6);系统讨论了Er3+/Yb3+共掺杂样品在808 nm激光激发下,Yb...     

Nd~(3+)/Yb~(3+)共掺磷酸盐玻璃光纤的发光与激光特性研究

以970 nm和808 nm半导体激光器作为抽运源,从光纤长度和抽运功率两个方面,探讨了Nd~(3+)/Yb~(3+)摩尔浓度比约为4:1的共掺磷酸盐玻璃光纤的发光与激光特性.在970 nm抽运下,光纤光谱以Yb~(3+)离子的发光为主,但Yb~(3+)→Nd~(3+)能量传递会对光纤光谱(激光和受激放大自发辐射)产生调制作用,调制作用随970 nm抽运功率或光纤长度的增加而显著,甚至出现显著的双波长激光现象.尽管玻璃样品中Nd~(3+)→Yb~(3+)的能量传递效率ηNd→Yb高达64%,但在808 nm抽运下,激光峰始终在1053 nm附近产生,且与808 nm抽运功率大小和光纤长度无关.为解释这一现象,推导了考虑Nd~(3+)离子受激辐射的能量传递模型.从理论模型来看,Nd~(3+)→Yb~(3+)能量传递作用随Nd~(3+)离子受激辐射信号光强度的增加而迅速减弱,这与该光纤实际测试的荧光光谱随808 nm抽运功率的变化规律相符合.因此,当采用Nd~(3+)离子来敏化Yb~(3+)离子时,需要考虑Nd~(3+)离子的受激辐射对Nd~(3+)→Yb~(3+)能量传递的抑制作用.     

高量子效率的近红外量子裁剪材料LaF3:Ho3+,Yb3+的合成及其发光性能

采用共沉淀法合成了LaF₃∶Ho³⁺,Yb³⁺ 红外下转换材料,研究了室温下该材料的激发光谱、发射光谱特性和发光的时间衰减曲线。在LaF₃∶Ho³⁺,Yb³⁺ 粉末中,观察到了Ho³⁺ 到Yb³⁺ 的能量传递,并通过分析确认了其为共振能量传递。通过Ho³⁺ 到Yb³⁺ 的共振能量传递过程,可以将材料吸收一个300~360 nm波段的紫外光子转化为两个波长在1 μm附近的红外光子。Yb³⁺ 的发射正好与硅太阳能电池的吸收匹配,材料中的这一红外下转换现象对于提高硅太阳能电池的效率具有积极意义。     

Er3+/Yb3+共掺NaYF4/LiYF4微米晶体的上转换荧光特性

采用水热法成功制备了Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的NaYF₄和LiYF₄微米晶体. 通过X射线衍射仪和环境扫描电子显微镜对样品的晶体结构及形貌进行表征. 实验结果表明: 六方相NaYF₄微米晶体为棒状结构, 而四方相LiYF₄微米晶体则为八面体结构. 在近红外光980 nm激发下, NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺和LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ 微米晶体均展现出很强上转换荧光发射. 且NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺微米晶体的荧光发射强度大约是LiYF₄:Yb³⁺/Er³⁺微米晶体的2倍, 但红绿比明显较低. 根据荧光光谱, 并借助激光光谱学及发光动力学深入探讨基质变化及表面修饰剂乙二胺四乙二酸(EDTA)对荧光特性的影响. 实验结果发现: 影响荧光强度的主要因素是基质环境的局域对称性, 而导致不同红绿比则是由于样品表面较多的EDTA分子所引起. Er³⁺掺杂的NaYF₄和LiYF₄ 微米晶体呈现出很强的绿光发射可被应用于全色显示, 荧光粉和微光电子器件中.     

用于液压传感的双芯光子晶体光纤

采用全矢量有限元方法进行光纤设计优化,得到横截面上失去两层空气洞的双芯光子晶体光纤,可用于液压传感.优化的双芯光子晶体光纤的模场半径和数值孔径与单模光纤基本一致,在优化的双芯光子晶体光纤和单模光纤之间有一个相对较低的熔接损耗.计算结果表明由模场半径和数值孔径导致的不匹配造成的总共损耗可低至0.026 dB,低于传统光子晶体光纤和单模光纤0.1 dB的直接熔接损耗.对基于20 cm双芯光子晶体光纤的液压传感器的性能进行研究,结果表明在0～500 MPa量程内的灵敏度为-1.6 pm/MPa.     

Er3+/Yb3+共掺杂铋酸盐玻璃的上转换发光和能量传递

用高温熔融法制备了Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的45Bi₂O₃-45GeO₂-10PbO玻璃,对玻璃样品进行了光谱测试,分析了上转换发光机制和Yb³⁺→Er³⁺的能量传递效率。通过Yb³⁺离子浓度对Er³⁺离子在铋酸盐玻璃中的上转换荧光强度影响的研究,得到Er³⁺质量分数为0.5%以及Yb³⁺质量分数为2.5%时上转换发光强度最大。研究结果表明,在970nm泵浦激发下,Er³⁺/Yb³⁺共掺杂B₄₅G₄₅P₁₀玻璃在532,545,673nm处产生较强的上转换绿光和红光,是一种较为理想的上转换发光基质材料。     

一种新型高双折射光子晶体光纤特性研究

设计了一种高双折射高非线性光子晶体光纤, 采用全矢量有限元法研究了这种光纤的基模模场、双折射、非线性、有效模面积及色散特性. 数值研究发现, 减小孔间距Λ的大小, 在波长1550 nm 处, 该光纤可获得10^-2 数量级的双折射B, 比普通的椭圆保偏光纤高约两个数量级; 同时, 该光纤可获得42 W^-1·km^-1 的高非线性系数γ. 另外,分别在可见光和近红外波段出现了两个零色散波长, 在波长800–2000 nm 之间具有良好的色散平坦特性. 这种设计为获得高双折射高非线性超平坦色散光子晶体光纤提供了一种新的方法, 该光纤在偏振控制、非线性光学和色散控制方面具有广泛的应用前景. 关键词： 光子晶体光纤 高双折射 高非线性 有限元法     

高功率宽带射频调制连续激光源

射频强度调制激光作为激光雷达系统的载波可以有效提高系统的抗干扰和抗散射能力,高功率宽带射频强度调制光源是实现高分辨率远距离探测的关键.本文采用在Nd:YAG激光器的耦合腔中插入一对四分之一波片的方法实现了频差调谐范围为30 MHz—1.5 GHz的双频激光输出,结合光纤振荡功率放大技术,将双频信号光功率放大为50 W.耦合腔双频种子源具有良好的功率和频率稳定性,输出功率为9.5 mW时,功率标准差为0.145 mW,稳定性为1.52%,输出双频激光的频差为250 MHz时,拍频的标准差为1.6144 MHz.种子光进行三级光纤功率放大,得到50 W双频激光输出.放大后的双频激光功率波动范围小于0.1 W,双频拍频的标准差为1.777 MHz,很好地保持了放大之前的功率稳定性和双频频差稳定性.     

一种与标准单模光纤高适配的低弯曲损耗光子晶体光纤

设计并研制出一种与普通单模光纤高适配的低弯曲损耗光子晶体光纤. 结构采用光纤预制棒制作工艺上易于实现的掺锗芯六孔结构. 应用间接测量方法, 对其模式、弯曲及色散特性进行了系统的评估. 在波长1550 nm处研制光纤的模场面积为79.26 μm², 色散为21.7 ps·km^-1·nm^-1, 模场面积和色散特性与标准单模光纤具有高的适配性. 在光纤弯曲半径为5 mm时, 在波长1550 nm处的弯曲损耗为0.0365 dB/圈, 小于G.657B的弯曲损耗0.5 dB/圈. 研究成果为光纤到户用低弯曲损耗光纤的实用化奠定了良好的基础. 关键词： 光子晶体光纤 低弯曲损耗 光纤到户 高适配性