新型增益导引-折射率反导引大模场光纤的设计、制备与性能研究

高功率光纤激光器在激光加工、惯性约束核聚变和激光武器等方面有着非常广泛的应用。传统的单模光纤由于纤芯小，在高能泵浦下容易产生非线性光学效应和光纤端面损伤，且其模场面积远不能满足高功率激光系统的实际需求。因此，研制一种既具有大纤芯尺寸又能够抑制高阶模产生的大模场单模光纤具有重要的意义。本项目拟研究新型增益导引-折射率反导引（GG-IAG）大模场光纤，通过数值分析和模型仿真建立光纤设计模型，研究光纤结构参数对光谱损耗、热效应和输出模式的影响；通过对掺杂稀土离子的种类、浓度和玻璃基质的组分研究，制备具有非线性折射率小、温度/折射率变化为负值和高光学性能的GG+IAG预制棒和光纤，验证光纤设计的可行性；通过对GG－IAG光纤激光特性研究，实现大模场面积单模放大和激光输出，为GG+IAG光纤制备激光器和放大器提供理论和实验数据。

本项目主要从以下几方面展开研究并取得了相应成果：.(1)建立了GG-IAG光纤激光器的速率方程理论模型及数值解法，理论上分析了掺镱磷酸盐玻璃GG-IAG光纤激光器和放大器的输出特性，包括在单端面泵浦、双端面泵浦和侧面泵浦情况下，泵浦光功率、信号光功率和光纤增益等的特性，并分别给出了光纤的最优设计方案。研究结果表明，侧面泵浦时光纤内的增益分布更加均匀，激光阈值更低，斜效率更高，光纤长度调节范围更大。同时，研究了空间多点泵浦的激光输出特性。.(2)建立了GG-IAG光纤激光器阈值的解析法理论模型，研究了掺镱磷酸盐玻璃GG-IAG光纤激光器的激光阈值特性，得到了在单端面泵浦下，激光阈值与光纤长度、纤芯半径、掺杂浓度等参数之间的关系，为光纤激光器的设计提供了最佳的解决方案。.(3)建立了GG-IAG大模场光纤激光器和放大器的三维热效应理论模型。分别分析了掺镱GG-IAG光纤激光器和放大器的热效应，得出了比传统的二维模型更加准确的结果。研究结果表明，双端泵浦时光纤最高温度比单端面泵浦低很多，并可以得到相对均匀的温度分布，侧面泵浦效果更优于双端面泵浦。给出了GG-IAG光纤的包层半径、制冷模式和折射率差等因素对光纤的温度分布的影响规律。.(4)扩展了普通光纤的横向模式耦合理论，可以模拟GG-IAG光纤和普通光纤之间任意组合的耦合，分析了GG-IAG光纤的横向耦合特性。.(5)根据玻璃结构设计理论，制备了可用于GG-IAG光纤的掺镱磷酸盐、氟磷酸盐和微晶玻璃复合材料。通过对除水、除杂质和退火工艺的研究，获得了具有大发射截面、长荧光寿命和较高增益系数的激光玻璃。.（6）根据光纤的设计参数，利用机械加工和玻璃挤管机，对磷酸盐玻璃基质、壁厚（薄壁、厚壁）和形状（圆形、D形、正六边形等）的芯棒和套管的加工工艺及参数进行了深入的研究，制备了光纤预制棒；通过控制拉丝温度、送棒速度和拉丝速度，拉制出不同纤芯直径的GG-IAG大模场光纤，并对光纤的各种参数及增益放大性能进行了测试分析；设计了两种侧面泵浦实验方案。 .依托本项目，在国际高水平刊物上发表SCI论文9篇，申请国家发明专利10项,授权4项；培养博士生2名，硕士研究生6名。全面完成了项目预期研究目标，部分成果达到国际先进水平。