高功率激光器用掺镱光子晶体光纤设计、制备及性能研究

Yb-doped photonic crystal fiber is a research focus of rare earth doped special fiber field, and developping Yb-doped photonic crystal fiber with high performance has become a main way to raise high power fiber laser properties, heretofore the existing preparation technology of Yb-doped photonic crystal fiber preform is diffcult to overcome some inherent problems, such as low Yb-doped concentration, lack of homogeneity, and so on. Based on the nonchemical-vapor-deposition process which combined solution doping technique and plasma furnace smelting technique fabricate Yb-doped silica, and use it as the core materials of photonic crystal fiber, realize high gain Yb-dope photonic crystal fiber with high concentration doping.Through exploring the disciplinarian of the form of the Yb-doped silica has influence on the Yb-doped concentration and the spectral characteristics, looking for the codoping way to reach high concentration of Yb-doped. Through the analysis of the influence of various physical factors on the formation of Yb-doped silica, build the doping and melting physical model. Clarify the technological conditions and parameters of the nonchemical vapor deposition method for Yb-doped silica, and fabricate the high gain Yb-doped silica which satisfy the requirements of the photonic crystal fiber drawing. Find out the change law between the properties of the Yb-doped photonic crystal fiber and the structure parameters, and design the diverse parameters structure to optimize the properties of the fiber.This project is further exploration and perfect for the preparation technology of the rare earth doped special optical fiber, and provide for the theoretical guidance and experimental data for manufacturing the high gain Yb-doped photonic crystal fiber and other the hing concentration rare earth doped photonic crystal fiber.For the development of the high power optical fiber laser is an important strategic value, can drive of high power fiber laser technology progress and industrial upgrading.

掺镱光子晶体光纤是稀土掺杂特种光纤领域中的一个研究热点，研制高性能掺镱光子晶体光纤已成为提升高功率光纤激光器性能的主要途径，现有的制备技术无法克服镱离子掺杂浓度低、均匀性差等固有问题。本项目采用溶液掺杂与高频等离子体炉熔炼相结合的非化学气相沉积法制备掺镱石英玻璃，通过探索石英玻璃组成对镱离子掺杂浓度和光谱特性的影响规律，寻找镱离子高浓度掺杂的共掺方式，分析各种物理因素对掺镱石英玻璃形成的影响，建立掺杂与熔炼的物理模型，确定非化学气相沉积法制备掺镱石英玻璃的工艺条件和参数，制备出满足光子晶体光纤拉丝条件要求的高增益掺镱石英玻璃；并找出掺镱光子晶体光纤的特性与结构参数之间的变化规律，设计出多参数包层结构优化光纤性能。本项目是对稀土掺杂特种光纤制备技术更深入的探讨与完善，为高增益掺镱光子晶体光纤及高浓度稀土掺杂光子晶体光纤的研制提供理论指导和实验支撑，可推动高功率光纤激光器的技术进步与产业升级。

掺镱光子晶体光纤作为增益介质可提高光纤激光器的耦合效率，并抑制各种非线性效应的影响，为构建高光束质量、大功率、稳定运转光纤激光器提供新的选择。对掺镱光子晶体光纤的掺杂方法和结构优化进行深入的研究，探索可提升掺杂浓度的掺杂方法和可改进光学性能的结构优化方案，为高性能掺镱光子晶体光纤的研制奠定有力的基础极为重要。本项目对以下几方面问题进行了研究：.首先，对掺Yb3+石英玻璃高浓度掺杂方法进行了研究，利用溶液掺杂与高频等离子体炉熔炼相结合的非化学气相沉积法制备出掺镱石英玻璃。研究表明制备掺Yb3+石英玻璃时，使用纯氧气氛将降低或抑制三价稀土离子的变价问题。.其次，完成了掺Yb3+稀土离子的石英玻璃制备，并对其物理及光学性能进行了测试。在此基础上，选择合适掺杂成份，完成了掺Yb3+石英玻璃的制备，并研究了掺Yb3+石英玻璃的吸收光谱、荧光光谱等光谱特性。确定了高增益掺镱光子晶体光纤的高浓度掺杂，并揭示了掺镱石英玻璃的高浓度掺杂规律。.然后，确定了非化学气相沉积法制备高增益掺镱光子晶体光纤的工艺条件和参数；实现了高增益掺镱光子晶体光纤的高浓度掺杂，揭示了掺镱石英玻璃的高浓度掺杂规律，确定了非化学气相沉积法制备高增益掺镱光子晶体光纤的工艺条件和参数。.再次，建立光纤激光器用光子晶体光纤结构设计模型，完成大模场面积、高内包层数值孔径、大纤芯保偏双包层掺镱光子晶体光纤的结构与优化。建立光纤激光器用光子晶体光纤结构设计模型，完成大模场面积、高内包层数值孔径、大纤芯保偏双包层掺镱光子晶体光纤的结构与优化。.最后，选定在折射率、热膨胀系数和软化温度都与包层的材料相匹配度的掺镱石英玻璃作为纤芯，根据已设计的光纤结构参数采用堆积聚束法制作相应的光纤预制棒并拉制成掺镱光子晶体光纤，并对掺镱光子晶体光纤的性能测试分析。.本项目研究过程中，项目组成员在国内外期刊上正式发表与项目相关并标注国家自然科学基金项目资助和项目批准号的期刊文章10 篇，其中SCI 检索文章6篇，EI检索文章9 篇；发表国际会议论文2篇，其中EI检索文章1 篇；申请发明专利1项；获得计算机软件著作权登记证书1项；培养研究生8名，其中博士研究生2名，硕士研究生6名。本项目的研究，可为高增益掺镱光子晶体光纤及高浓度稀土掺杂光子晶体光纤的研制提供理论指导和实验支撑，可推动高功率光纤激光器的技术进步与产业升级。