高功率光纤激光器用包层折射率渐变型大模场微结构光纤研究

本项目重点将研究一种新型的大模场微结构光纤- - 包层折射率渐变型微结构光纤，以有效降低光纤中的非线性效应，克服光纤中由于非线性效应而导致的存储能量、热损伤获阈值和光纤自聚焦阈值的限制。通过设计包层为渐变折射率分布的大模场微结构光纤，实现有效地抑制光纤中高阶模的产生,保证光纤在具有大模场和低弯曲损耗的前提下，实现单模光传输的目的。同时，考虑微结构光纤的制造特点，采用低折射率材料填充空气孔的方法，降低光纤的制作难度和工艺要求。本项目的研究，可以有效解决当前大模场光纤难以保证同时具有大模场面积和低弯曲损耗的矛盾，克服大模场光纤难以制作的困难，为新型大功率光纤激光器的研究提供关键的光纤结构。这种新型光纤也可用于大功率激光传输系统。

本项目重点研究了用于光纤激光器的新型大模场微结构光纤，以有效降低光纤中的非线性效应，克服光纤中由于非线性效应而导致的存储能量、热损伤获阈值和光纤自聚焦阈值的限制。通过新型设计方案，实现有效地抑制光纤中高阶模的产生,保证光纤在具有大模场和低弯曲损耗的前提下，实现单模光传输的目的。同时，考虑微结构光纤的制造特点，提出采用低折射率材料填充空气孔的方法，降低光纤的制作难度和工艺要求。主要成果如下：1.提出采用支撑条等宽度的扇形包层光纤实现大模场传输，发现这种光纤可以通过支撑条将高阶模泄漏出去，从而实现有效的单模传输。发现支撑条不等宽的扇形包层光纤存在一类不同于普通光子晶体光纤的低损耗高阶模，即绑定模，这种模式由于对称性与光纤的折射率分布一致，使其有可能具有比光纤基模还低的损耗。指出采用合适的结构（扇形数量为5或7个以上）可以有效地去除这类特殊模式，从而实现单模传输。2. 采用非对称结构光纤，通过不同的光纤部分实现将光纤的高阶模有效滤除和实现低弯曲损耗传输。3.证明采用微结构芯可以实现纤芯与包层低至10-4~10-5量级的折射率差，此理论表明采用微结构芯结构可以制作普通光纤无法实现的低数值孔径光纤，因而可以实现超大模场面积(>10000 μm2)的单模传输。4. 针对大模场光纤弯曲时除了可能出现弯曲损耗以外，还普遍存在的模场面积减小的问题，我们提出采用非对称微结构芯实现对光纤弯曲时引致的模场面积减小的补偿，采用这种方法可以使大模场光纤在弯曲半径为15 cm时仍然具有1400 μm2以上的大模场面积，使其模场面积增大50%以上。5. 提出采用单模光子晶体光纤与多模光子晶体光纤组合的方法实现超低弯曲损耗的光传输，利用单模光子晶体光纤滤除高阶模，实现单模传输。. 本项目的研究，可以有效解决当前大模场光纤难以保证同时具有大模场面积和低弯曲损耗的矛盾，克服大模场光纤难以制作的困难，为新型高功率光纤激光器的研究提供关键的光纤结构。这种新型光纤也可用于高功率激光传输系统。