大模场面积抗弯曲单模掺铥光子晶体光纤的研究

Thulium-doped fiber lasers have entered the realm of kilowatt and the fiber nonlinearity turns to be an obstacle limiting the improvement of output power. Due to the few-modes operation and high bend loss, large mode area fibers, which make contribution to attenuating the nonlinear effect in the fiber, cannot meet the demand for compact high-power thulium-doped fiber lasers. Aiming at developing bend-resistant large-mode-area single-mode thulium-doped fibers, this project takes advantage of the flexible design of photonic crystal fibers (PCFs), on the base of the resonance coupling theory, introduces the structure innovation as a breakthrough to investigate the rapid depletion mechanism of higher-order modes. With these regard, we will propose solution to overcome the contradiction between large mode area and single-mode operation and make a breakthrough to the challenge of dramatically decrement in mode field area, high bend loss and the sensitivity to bend orientation. Moreover, in order to explore the solution to suppression the increase of refractive index in the thulium high concentration doped core, we will establish the theory model of multi-element co-doping and investigate the impact of thulium high concentration on fiber structure. In the meantime, we will also pay attention to the improvement of manufacture technique and update the online monitor model for PCF performance, eventually achieve the bend-insensitive single-mode thulium-doped large mode area PCF, which has a mode field area larger than 4000 square microns and its critical bend radius can be as small as 10cm. This project will fill the research blank in the field of bend-resistant large-mode-area single-mode PCF for the application in compact high-power high-beam-quality thulium-doped fiber lasers.

掺铥光纤激光器输出已迈进千瓦级，非线性效应已成为限制输出功率提升的一个主要障碍，大模场面积光纤可以降低非线性效应，却因少摸运转和弯曲损耗高难以满足高功率小型化激光器的发展需求。课题以研制大模场面积抗弯曲单模掺铥光纤为目标，充分利用光子晶体光纤(PCF)的结构设计柔性，基于谐振耦合理论，以结构创新为突破点，研究大模场面积光纤中高阶模快速损耗机制，解决传统结构中大模场面积与单模运转的矛盾，突破由光纤弯曲引起的模场面积锐减、弯曲损耗高和弯曲方向角敏感等难题。并建立多元素共掺光纤微观理论模型，研究高浓度掺铥对微观结构影响的宏观表征，探索高掺杂纤芯折射率升高的抑制机制。同时注重拉制工艺的改进，升级PCF性能在线监控模型。研制出弯曲不敏感、基模场面积超过4000μm2、极限弯曲半径可达10cm的单模掺铥PCF，填补2μm波段高性能高功率小型化掺铥光纤激光器发展急需的大模场面积抗弯曲单模掺铥光纤的空白。

本项目面向高功率光纤激光器的发展需求，在抗弯曲大模场面积光纤理论模型、掺杂机理、制备技术及应用等多方面取得了突破，按期圆满完成课题任务。项目在深入研究大模场面积抗弯曲光纤的模场面积、单模特性及弯曲特性的影响机理和内在关联的基础上，以结构创新为突破口，提出一种多沟槽芯抗弯曲大模场面积光纤，将单模运转的最小弯曲半径由20 cm减小到15 cm, 在工作波长2μm处，模场面积提高到1637μm2，突破了目前多沟槽光纤弯曲状态下的模场面积瓶颈，有效解决大模场面积与单模、弯曲及弯曲方向角敏感问题。以降低制作难度和工艺复杂度为牵引，提出了一种简化型的沟槽芯光纤，将最小弯曲半径降低到10 cm，模场面积提升到2460μm2，高阶模与基模损耗比提高到886。为进一步提升模场面积，项目又提出一种具有泄露通道的大模场面积微结构光纤，模场面积可高达3000 μm2，高阶模和基模的损耗比提升到2244，获得了1.75~2.5μm超宽的单模工作波长范围。在制作工艺研究方面，一方面成功突破铋镓铥共掺工艺，为研制沟槽芯结构奠定基础;另一方面，针对微结构光纤制备中易出现的塌陷形变问题，在提出的全变差和小波去噪方法的基础上，又提出利用压缩感知结合非降采样变换方法，实现了仅利用36%的截面数据就可以快速、高精度复原微结构光纤截面，有效实现对实际微结构光纤的特性评估，同时加快了微结构光纤制作过程中光纤工艺参数的在线快速优化。首次研制出双层离子掺杂结构的单模大模场面积光纤以及四层掺杂结构的大芯径光纤，并基于所研制的大芯径光纤实现了可调谐可切换的多波长光纤激光器。受本项目资助完成学术专著一本；应邀在国际国内大型学术会议做特邀报告4次；发表SCI论文 27篇，EI论文 6篇，国际会议论文6篇；申请专利7项，授权4项；获重庆市自然科学二等奖1项， 培养毕业博士研究生4人，硕士研究生11人；联办大型学术会议1次。研究成果对推进新型特种光纤及高功率掺铥光纤激光器的发展具有重要的意义和实用价值。