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红外与激光工程 2020年第2期49卷 106-112页

作者：张果孙帅张尧盛泉史伟姚建铨天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072

针对紧凑型、高效的光泵太赫兹激光器(OPTL)技术,设计了基于负曲率空芯光纤的长腔型光泵太赫兹光纤激光器(OPTFL)结构。该OPTFL以聚甲基戊烯(PMP)材料的空芯光纤为工作气室,填充甲醇气体作为工作物质,采用连续9P(36)支CO2激光器为泵浦... 详细信息

针对紧凑型、高效的光泵太赫兹激光器(OPTL)技术,设计了基于负曲率空芯光纤的长腔型光泵太赫兹光纤激光器(OPTFL)结构。该OPTFL以聚甲基戊烯(PMP)材料的空芯光纤为工作气室,填充甲醇气体作为工作物质,采用连续9P(36)支CO2激光器为泵浦源。从速率方程理论和空芯光纤的传输理论出发,分析了影响OPTFL输出特性的因素,并对负曲率空芯光纤内部微结构进行了探索,通过调整内部结构,能够实现较低损耗的单模太赫兹激光传输。结合设计的负曲率空芯光纤,对长腔型OPTFL的可行性进行了分析,理论计算表明,在最佳工作条件下,通过适当增加谐振腔长度,太赫兹激光输出功率有望达到百毫瓦量级。研究结果为高功率、高性能的OPTFL提供了一种新的方法与理论指导。

关键词：太赫兹激光器负曲率空芯光纤速率方程单模

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一种负曲率空芯光纤的设计与性质分析

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中国惯性技术学报 2020年第5期28卷 660-665页

作者：杨哲陈侃佘玄毕然王磊舒晓武浙江大学光电科学与工程学院杭州310027

针对光纤陀螺的应用,提出了一种双层反谐振负曲率空芯光纤。首先,利用时域有限差分法数值分析方法,建立光纤微结构模型,经优化设计取得了限制损耗0.063 dB/km且单模大模场的结构参数。同时,探索了保偏设计,通过调整内层两侧管环壁厚取... 详细信息

针对光纤陀螺的应用,提出了一种双层反谐振负曲率空芯光纤。首先,利用时域有限差分法数值分析方法,建立光纤微结构模型,经优化设计取得了限制损耗0.063 dB/km且单模大模场的结构参数。同时,探索了保偏设计,通过调整内层两侧管环壁厚取得了在1 dB/km较低损耗量级上达到10^-5高双折射水平。最后,考察了光纤弯曲时弯曲半径与损耗的关系,为进一步优化设计奠定了基础。

关键词：负曲率空芯光纤反谐振双折射弯曲损耗

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高双折射、低损耗负曲率空芯光纤的设计与理论研究

高双折射、低损耗负曲率空芯光纤的设计与理论研究

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作者：张亚萍济南大学

学位级别：硕士

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)因具有无限单模,高双折射,超平坦色散,以及传输性能可调控等诸多优点,一直是光纤技术领域的研究热点;并且由于PCF非常适合应用到光通信,非线性光学,光纤传感等多个领域中,这说明它存在着巨大... 详细信息

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)因具有无限单模,高双折射,超平坦色散,以及传输性能可调控等诸多优点,一直是光纤技术领域的研究热点;并且由于PCF非常适合应用到光通信,非线性光学,光纤传感等多个领域中,这说明它存在着巨大的研究价值和发展潜力。然而,由于材料本身缺陷所造成的非线性、光照损伤等问题已经严重制约了传统实芯PCF的进一步发展。因此,与实芯PCF相比,探索和发展空芯光纤(Hollow Core Fiber,HCF)可以有效避免光纤材料所引起的本征性缺陷问题。研究发现,负曲率空芯光纤(Negative Curvature Hollow Core Fiber,NC-HCF)作为一种新型结构的HCF,因表现出宽传输通带、低损耗、高损伤阈值和单模传输的优点,已经逐渐开始引领HCF的发展。本论文通过设计和优化PCF以及NC-HCF的结构,研究其光学传输特性的变化,获得了四种具有高双折射和低损耗传输特性的新型光纤结构。本论文主要内容如下:(1)总结介绍了PCF和NC-HCF的定义、工作原理以及各自的优点和不足。总结了一下PCF和NC-HCF在各领域中的应用,以及不同的结构特征和设计方法。重点概括了全矢量有限元法的基本理论及其用法、双折射和限制损耗的定义及其获取方法。叙述了高双折射型PCF和NC-HCF的实现方法以及应用价值。(2)提出了一种新型压缩氟化物PCF,其包层由四层椭圆孔组成,在其内包层中放置了两个椭圆度较大的椭圆孔。利用有限元法对其光学传输特性进行仿真计算,该光纤的材料选用氟化物玻璃,通过优化结构参数实现了光纤的高双折射和低限制损耗传输性能。具体性能如下:该光纤在1.064μm波长处的x和y偏振基模的限制损耗均小于4.74×10 dB/m;在1.31μm处的x和y偏振模的限制损耗分别为9.06×10和5.70×10dB/m;在1.55μm处的x和y偏振模的限制损耗为2.3×10和1.14×10 dB/m,其对应的双折射高达3.89×10;该光纤最大的优点是在1064、1310和1550 nm三个窗口处都实现了高性能传输,并且当波长等于2μm时该光纤仍然保持较高的双折射,达到4.85×10。(3)设计了四种NC-HCF结构(A1,A2,B1,B2),研究了结构参数对光纤性能的影响规律。对于相邻毛细管的尺寸都各自完全相同的结构A1和结构A2来说,它们只表现出限制损耗性能,并且限制损耗的大小随波长的变化趋势与反谐振反射原理非常吻合。对于内部毛细管的尺寸不完全相同的的结构B1和结构B2,它们都表现出杰出的限制损耗性能和双折射性能,特别是双折射可以达到10量级;还发现结构B1和结构B2中的限制损耗性能会受到结构A1和结构A2的共同影响。另外,将结构B1和结构B2两种光纤中的纤芯半径、毛细管半径以及毛细管厚度同时放大3倍,并进一步研究了它们在中红外波段内的光学性能,发现它们在3.8μm到4.6μm的较宽传输带内也展现出令人满意的光学性能,在该波段内获得的限制损耗都低于1 dB/m并且双折射也都高于10。(4)设计了一种具有低限制损耗的高双折射型NC-HCF。在水平直径方向上放置了两个具有共振厚度的较大空气孔,发现双折射性能得到了大幅度的提升。通过比较毛细管的半径、厚度和相邻间隙对双折射以及限制损耗的影响,得到了最佳的光纤结构。在2.90-2.91μm以及3.00-3.44μm波段内,该光纤均呈现出优异的传输性能,特别是在2.90μm波长处拥有最佳性能,最大双折射高达1.56×10,最小限制损耗只有0.024 dB/m。光纤在3.00-3.44μm波段内的双折射均大于10,同时在3.00-3.24μm波段内的限制损耗也都小于0.2 dB/m。根据计算结果可知,改变最大毛细管的厚度可以有效调节产生高双折射的波段,并且在适当范围内增加大孔的尺寸可以明显增强双折射。(5)设计了两种包层中具有单层毛细管或双层毛细管的NC-HCF的结构,并重点讨论了这两种光纤的限制损耗特性。结果表明,具有单层毛细管结构的NC-HCF的限制损耗可以被优化到1.70×10 dB/m,并且带宽波长范围是1.2-1.6μm,覆盖了1.31和1.55μm两个窗口。同时,对于另一种具有双层毛细管结构的NC-HCF来说,其最优结构是在每层中各放置8个毛细管。当波长在2.1-2.35μm之间的变动时,双层毛细管结构光纤的限制损耗都是极低的,均小于10 dB/m;通过调整角度比的取值,可以实现光波在不同波段内的超低限制损耗传输。

关键词：光子晶体光纤负曲率空芯光纤高双折射限制损耗有限元法

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紧凑型光泵气体太赫兹激光器及负曲率空芯光纤的研究

紧凑型光泵气体太赫兹激光器及负曲率空芯光纤的研究

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作者：张果天津大学

学位级别：硕士

光泵气体太赫兹激光器(optically pumped gas THz laser,OPTL)是获得高功率太赫兹辐射的重要技术手段之一,在生物医疗、安全检查、太赫兹雷达等领域具有重大的应用价值。本文从镀金石英波导的设计出发,结合泵浦激光器的搭建和太赫兹激... 详细信息

光泵气体太赫兹激光器(optically pumped gas THz laser,OPTL)是获得高功率太赫兹辐射的重要技术手段之一,在生物医疗、安全检查、太赫兹雷达等领域具有重大的应用价值。本文从镀金石英波导的设计出发,结合泵浦激光器的搭建和太赫兹激光器谐振腔的设计,获得了紧凑型、高功率的OPTL。并在此基础上对太赫兹光纤激光技术进行了研究,包括基于负曲率空芯光纤的太赫兹传输光纤以及光泵气体太赫兹光纤激光器(optically pumped gas THz fiber laser,OPTFL)。本文的主要内容如下:1.采用速率方程理论,对光泵浦甲醇气体的动力学过程进行了分析。搭建了高功率、高性能的连续可调谐CO激光器作为OPTL的泵浦源,其输出谱线可达82条,在9P(36)支谱线处最高输出功率为80W;搭建了基于镀金石英波导的紧凑型OPTL系统。在9P(36)支的CO激光泵浦甲醇气体的条件下,泵浦激光功率为40 W时,获得了输出功率为110 mW,频率为2.5 THz的激光输出,同时5分钟太赫兹激光功率稳定在5%以内。2.为了实现太赫兹波的高效传输,设计了一种具有椭圆包层管的负曲率空芯光纤。理论分析了太赫兹波在负曲率空芯光纤中的传输特性,当椭圆包层管经合理的设计后,其基模损耗低于0.45 dB/m,高阶模损耗达1.88 dB/m,此时具有较低的传输损耗和良好的单模特性。3.为了进一步增加OPTL的紧凑性,研究了OPTFL技术。结合速率方程理论和空芯光纤传输理论,设计了一种基于负曲率空芯光纤的长腔型OPTFL,并分析了影响OPTFL能量转换效率的因素。理论计算表明在负曲率空芯光纤的弯曲半径为30 cm、长度为10 m、工作气压为250 m Torr、泵浦激光功率为10 W的条件下,太赫兹激光的输出功率可达百毫瓦量级。

关键词：太赫兹波光泵气体太赫兹激光器负曲率空芯光纤单模太赫兹光纤光纤激光器

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负曲率反共振空芯光纤的抗弯曲设计方法研究

负曲率反共振空芯光纤的抗弯曲设计方法研究

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作者：何俊逸电子科技大学

学位级别：硕士

随着光纤技术的发展,各种机制与结构的光纤被提出研究,而空芯光纤由于其特有的空气纤芯所带来的低非线性效应、低材料损耗与高损伤阈值受到广泛关注。负曲率反共振空芯光纤作为空芯光纤的一种,与其他反共振光纤相比其结构简单,设计灵活... 详细信息

随着光纤技术的发展,各种机制与结构的光纤被提出研究,而空芯光纤由于其特有的空气纤芯所带来的低非线性效应、低材料损耗与高损伤阈值受到广泛关注。负曲率反共振空芯光纤作为空芯光纤的一种,与其他反共振光纤相比其结构简单,设计灵活且单模性能好。与传统的全反射光纤不同,由于负曲率反共振空芯光纤特殊的导光机制,在其弯曲时不仅会导致光功率的泄漏,还会严重影响其单模性能。本文提出了一种新的负曲率反共振空芯光纤的抗弯曲设计方法,并通过有限元分析设计研究了一种非对称双层结构来分析弯曲状态下的模式耦合问题,验证并应用了这种新方法,具体内容如下:(1)概述了负曲率反共振空芯光纤及其抗弯设计的背景及意义,对负曲率反共振空芯光纤的由来与基本特性进行了理论分析,并对目前国内外的研究进展进行了基本介绍。(2)概述了负曲率反共振空心光纤的研究模型,对其内部的导光机理、模式抑制耦合以及多共振耦合给出了具体的理论分析,同时还对负曲率反共振空芯光纤的传输损耗、弯曲损耗、单模特性和双折射等进行了讨论并给出相关计算公式。(3)基于弯曲状态下的多共振耦合的具体分析,提出了一种对弯曲状态下负曲率反共振空芯光纤各模式分离处理的讨论,并依据这种讨论设计出了一种可以降低基模损耗的同时提高高阶模损耗比的结构,通过仿真进一步分析了弯曲状态下不同模式与不同区域之间产生的有效折射率带以及发生的两种不同耦合方式,验证了分离调控方法的可行性。(4)对非对称双层结构的弯曲性能进行进一步仿真分析,验证了分离调控方法的有效性,同时基于分离调控法提出并分析了两种新的优化路径。综合优化后,20mm的弯曲半径下,光纤在1400-1800nm的整个波长变化范围内的高阶模损耗比几乎都超过1000,部分区域超过10000,同时基模损耗几乎都小于10d B/km。其中两种优化结构在参考波长1550nm下,基模损耗约为1.1d B/km和0.8d B/km,同时高阶模损耗比可达14540和21690,大大提高了单模性,证明了分离调控法结合低损耗管后的优异抗弯曲性能。

关键词：负曲率空芯光纤抗弯设计方法弯曲损耗单模特性

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4μm单模单偏振硫系负曲率反谐振光纤

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光学学报 2023年第19期43卷 66-75页

作者：马欣欣李建设郭海涛李曙光许彦涛张豪孟潇剑郭英王莼武彪赵原源崔兴旺燕山大学理学院亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室河北省微结构材料物理重点实验室河北秦皇岛066004 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室陕西西安710119

提出并研究了一种以硫系玻璃为基底材料的红外负曲率反谐振光纤,该光纤在4μm附近可低损耗、单模单偏振传输光信号。利用有限元法对其性能进行数值仿真,结果表明:该光纤在3.99~4.00μm波长范围内具有良好的单模单偏振特性,特别是在4μm... 详细信息

提出并研究了一种以硫系玻璃为基底材料的红外负曲率反谐振光纤,该光纤在4μm附近可低损耗、单模单偏振传输光信号。利用有限元法对其性能进行数值仿真,结果表明:该光纤在3.99~4.00μm波长范围内具有良好的单模单偏振特性,特别是在4μm波长处,偏振消光比和高阶模式消光比分别达到491和649,表明其保偏性能具有很好的稳定性;该光纤具有低损耗传输特性,在3.92~4.01μm波长范围内,x偏振基模均可维持在平坦且损耗很低的反谐振区域内,尤其在4μm波长处,x偏振基模的损耗仅为1.8×10^(-4)dB/m;该光纤具有良好的抗弯曲能力,在单模单偏振传输下,弯曲损耗始终小于10^(-3)dB/m。该红外负曲率反谐振光纤不仅在中红外波段的通信和医疗系领域具有良好的应用前景,也为工作在4μm波段的量子级联探测器提供了纯净光源。

关键词：光纤光学负曲率空芯光纤空芯反谐振光纤单模单偏振有限元法

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