1. 研究目的与意义
光纤激光器因其高转换效率、良好的散热效应、高光束质量及结构紧凑等独特优势而得到迅速发展，广泛应用于光通信、工业加工、生物医疗、军事国防等相关领域，成为激光器产业中的主导力量。近年来光纤激光器的输出功率不断攀升，达到千瓦量级平均功率及兆瓦量级峰值功率，但是高功率的激光输出会导致纤芯中功率密度过高，易引起严重的受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)等非线性效应及光纤损伤。通常，采用大模场面积(LMA)光纤降低纤芯功率密度，从而抑制非线性效应，但这种方法会激发起高阶模(HOM)，致使光纤输出光束质量恶化。最初人们通过降低纤芯数值孔径(NA)来实现单模运转，然而受到材料本身性质的限制，普通光纤的数值孔径很难降到0.05以下，且过低的NA会加剧光纤弯曲损耗。因此，设计新型大模场面积光纤并有效抑制高阶模式从而实现高功率单横模运转成为国内外研究人员所关注的热点。在高功率大模场面积单模输出光纤激光器的研究方面，美国IPG公司、OFS实验室、密歇根大学、克莱姆森大学、英国南安普顿大学、德国耶拿大学等机构一直处于国际领先地位，光纤芯径从最初的30μm提升到100μm以上。大模场面积光纤的实现大致可分为三类：1) 利用滤模效应，将光纤中的高阶模从纤芯滤除； 2) 重新设计光纤的结构，通过改变纤芯或包层的折射率分布并改进纤芯的掺杂分布，突出基模的增益优势，达到增大模场面积、抑制高阶模的目的；3) 利用模式转换等机制，有效滤除高阶模，实现单模运转，并确保系统的稳定性。
大模场光纤具有超大的有效模场面积，有效地降低光纤端面上的光功率密度，能够减小因功率增大而产生的非线性效应，提高光纤的损伤阈值、功率容限和耦合效率。因此大模场光纤是解决传统光纤激光器众多问题的一种最直接有效方法。尤其大模场单模传输光纤的应用更是光纤技术的主要趋势，如高能光束传输，多功能光纤激光器，光纤放大器等。此外随着光纤通信中波分复用系统里信道的增加，产生的非线性如四波混频、自相位调制等限制了光传新型大模场光子晶体光纤的设计与性能分析输出。在这方面，也需要大模场面积的光纤。目前大模场光纤广泛应用于光纤激光器并极大地增大了光纤激光器的输出功率。自从1998年knight等人公布光子晶体光纤的大模面积特性以来，已经发展并公布了大量的改进设计。早期，N.A.Mortensen提出了一些关于大模场光子晶体光纤的模式特性和有效面积的研究。Chiang和Rastogi提出在纤芯采用非空气孔的嵌段包层(Segmented-Cladding)的微结构大模场光纤，数值分析表明50μm纤芯的嵌段包层光纤的单模传输范围能够从0.9微米到1.7微米。最近人们常用掺杂的方法来提高单模传输效果。Limpert等人中用部分掺杂的方法对直径为50μm、数值孔径为0.093的光纤进行了计算，得出当掺杂半径为16.9μm的时候可以获得最佳的选模效果。多芯结构的光纤同样也可以实现大的模场直径，以超模态输出的激光模场直径达至52μm，单脉冲能量1.3mJ。19芯的多芯光纤也实现了超模态的光波场传播，模场面积达到465平方微米，光束质量因子为1.02，进一步验证了多芯光纤实现大模场激光的可行性。
目前光纤激光器输出功率的迅速增长正是得益于大模场光纤的实现，大模场光纤广泛应用于光纤激光器并极大地增大了光纤激光器的输出功率，因此大模场光纤的研究成为高功率光纤激光研究领域的热点问题。许多国家的相关研究机构都纷纷开展了大模场光纤的研究，取得了可喜的结果。多种新型结构的大模场光纤相继被提出并应用于实践，使得光纤激光的模场不断扩大，推动着高功率光纤激光的快速发展。为了提升激光光纤的模场大小，出现了很多新型的大模场光纤，包括通过改变光纤包层结构设计的泄露光纤、利用模式耦合获得的单模大模场光纤和采取弯曲得到单模特性的大模场光纤等，这些技术措施使光纤的模场大小得到有效增加。不同结构的大模场光纤的应用也推动着光纤激光器功率的不断增长。目前很多大模场光纤还只是停留在实验验证及理论分析的阶段，真正应用到大功率光纤激光中仍存在许多理论和实际应用方面的技术难题，如光纤弯曲后的模场畸变，高阶模抑制问题，大模场光纤的加工等。2. 研究内容与预期目标
现阶段制约光纤通信向更高传输速率、更大传输容量及更长无电中继传输距离方向发展的主要问题是光纤中的非线性效应以及弯曲损耗。增大光纤的模场面积，是减小光纤中非线性效应、提高传输功率及提高信噪比的有效途径。2012年国际电信联盟最新修订的具有弯曲不敏感特性的光纤标准的出台，以及光纤入户计划的实施，进一步促进弯曲不敏感光纤产业的规模发展。
课题针对大模场面积光纤进行研究。
本设计的主要内容如下：
3. 研究方法与步骤
| 由于非线性效应产生的阈值功率与光纤的有效模场面积成正比关系，因此目前解决光纤激光器功率密度提升过程中面临的非线性效应、光学损伤等问题的最直接最有效的方法之一就是采用大模场面积光纤。大模场面积光纤可以增大有效模场面积，达到抑制非线性效应的目的。因此，本文通过数值仿真软件COMSOL Multiphysics仿真，对大模场面积光纤进行相关的研究和分析。 (1) 了解大模场面积光纤研究的背景、历史和现状，以及通过新型高性能光纤材料或光纤结构设计增大有效模场面积的情况，如阶跃折射率单模光纤、光子晶体光纤、瓣状光纤和多芯光纤等。 (2)从有限元法出发，给出有限元法的数值模拟和计算并利用COMSOL Multiphysics进行建模和仿真。通过COMSOL Multiphysics仿真，得到大模场光纤相关的模场特性、模场面积等。例如：通过得到4菊花芯大模场面积单模菊花纤芯分布光纤的模场特性、模场面积和纤芯与光纤之间的功率比。得出结论：改变大模场面积单模菊花纤芯分布光纤菊花芯的折射率，牺牲一定的光束质量，可以显著的增加同向基模的模场面积。 (3)通过COMSOL Multiphysics仿真，尝试改变大模场光纤的一些条件得到相关结论。如大模场面积单模菊花纤芯分布光纤在光束质量相同的情况下，增加菊花芯的半径和菊花芯与圆形纤芯间距可以增大模场面积，增加菊花纤芯数虽然不会增加模场面积，但可以有效降低模场面积和光束质量对菊花芯折射率的敏感程度；在相同条件下，波长越长模场面积越大，而光束质量越差；增加菊花纤芯数，弯曲损耗先减小后增大；增大菊花芯与圆形纤芯的间距，可以减小弯曲损耗；增大菊花芯半径，弯曲损耗先缓慢增加随后迅速增加。 (4)完成设计，对课题进行研究总结。 |
4. 参考文献
[1] 周恩宇，增益导引折射率反导引大模场光纤的设计、模拟及实验研究，复旦大学，2011；
[2] 李朝阳，于丽，张晓光等，采用全矢量有限元法设计光子晶体光纤，光电子激光，2007，18(1)：30-35；
[3] 袁艳阳，巩马理，大模面积光纤中折射率和掺杂分布的设计和分析，中国激光，2008，9：1355-1359；
5. 工作计划
1、3月4日-3月31日查阅文献、收集资料，完成开题报告；
2、4月1日-4月14日学习光纤通信基础理论和相关仿真软件，确定设计方案；
3、4月15日-5月12日完成大模场面积光纤设计及性能测试分析；
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