致力于大模场光纤的主要研究机构
美国能源部Sandia国家实验室 美国Aculight 公司 美国OFS实验室 美国罗切斯特大学(University of Rochester) 美国密执安大学(University of Michian) 德国耶拿大学(University of Jena) 德国IPG光子公司 英国南安普敦大学(University of Southampton) 芬兰Liekki公司 日本北海道大学(Hokkaido University)
模式与增益的重叠因子； 小信号增益系数； 第i个模式的功率； 模式场分布； 基模的饱和光强
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1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益分布与模式竞争能力
LP31模的增益是 基模的2.5倍
高阶模相对填充因子与光强的关系NA=0.05, d=50um, Γ=1
低饱和时， LP01的增益最大，饱和加深， 高阶模获得的增 益超过基模
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1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益影响模场分布
无增益 : 5194 um2 有增益：3868 um2
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1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
增益分布与模式竞争能力
g0 g0r,,zg0z f r,
dPi z
dz
i
zg0
zPi z
iz1fIr0,r,i,zr,/Isa2t rdrd
Γi(z) g0 Pi(z) φi(r,θ) I0(r,θ,z)
阶跃分布
平坦模分布
锥形分布
二次曲线分布
混合折射率分布
p
nr
nmax
n
r Rcore
9
1.1 光纤的结构设计
❖ 纤芯的折射率分布影响模场特性
高折射率区分布偏离轴心，有利于增加模场面积，但 模场的约束能力下降，弯曲引起的畸变严重；
四层泄漏形分布
平坦模分布
高折射率区越趋向中心，模场的抗弯性加强，弯曲 畸变少，但模面积偏小。
弯曲损耗曲线
1
0.8
d＝30um, NA＝0.05
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
弯曲时半径 ( m )
18
1.2 模式选择控制
❖ 增益导引
激光光纤中的模式由折射率差和增益分布共同作用决定；
n n j / 2 g
V 2
d
2
2n0
n
j
2
g
N jG
传统激光光纤增益作用微乎其微，而大模场光纤，折射率差小到 10－3～10－4, 增益0.1～1/cm，增益导引与折射率导引共同作用。
CF
PF
0.8
Mode Intensity Profiles for Different Fibers (Bend)
1
0.9
0.8
0.7
0.7
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Radial Position (um)
锥形分布
二次曲线分布
10
1.1 光纤的结构设计
❖ 同参数下，不同折射率分布相应的模场弯曲变化
Normalized Intensity Normalized Intensity
Mode Intensity Profiles for Different Fibers (Unbend)
1
FM
0.9
SIF
5
研究的总体思路
立足于光纤的结构设计，通过改变纤芯 或包层的折射率分布，降低等效折射率差， 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， 同时借助于外部的选模方式、模式转换等机 制，有效滤除高阶模，实现单模输出，并确 保系统稳定工作。
6
1. 主要技术路线
光纤结构设计 多模光纤 模式选择控制 多模光纤
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1.1 光纤的结构设计
❖ 光子晶体光纤
调整空气孔间距、大小、填充率等参数，获得低损耗大模光纤
Aeff = 1417um2 Λ=20um, d /Λ=0.451, d1 /Λ=0.95, d2 /Λ=0.51, 高阶模约束损耗 >1dB/m, 弯曲半径： R=5cm
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1.2 模式选择控制
❖ 弯曲选模
复合导引光纤 光子晶体光纤 弯曲选模 泄漏选模
单模光纤 大模面积
多模光纤 输出单模
大模面积 基模
模式转换法 基模光纤
高阶模光纤
基模光纤
7
1.1 光纤的结构设计
纤芯折射率变化
包层折射率变化
折射率和掺杂分布变化
光子晶体结构
结构可精确调整， 具有特殊性质
8
1.1 光纤的结构设计
❖ 几种纤芯的折射率分布
2645 1142 617 401
517
5.12
542
2.11
600
1.03
400
1.00
11
1.1 光纤的结构设计
❖ 几种纤芯的折射率分布对模场性能的影响
权衡各因素的影响
混合型折射率分布
12
1.1 光纤的结构设计
❖ 包层折射率变化
泄漏结构
耦合泄漏结构
三包层结构
光子晶体结构
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1.1 光纤的结构设计
0
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Radial Position (um)
模面积变化（d＝50um）
FM SIF CF PF
40
50
横截面折射率分布 不弯曲时模面积 (um2) 弯曲后模面积 (um2) 压缩率
平坦模分布（FM) 阶跃分布（SIF） 锥形分布 （CF） 二次曲线分布 (PF)
光纤激光器往往在弯曲情况下使用，最简单、最常用的选模方式 是弯曲损耗选模；
光纤弯曲后，导模变为泄漏模甚至辐射模，发生沿弯曲半径方向 的能量辐射, 引起高低阶模不同程度的弯曲损耗；
光纤芯径比较小时，选模效果明显；
2
LP01
1.8
LP02
LP11
1.6
LP12
耦合系数 ( dB/m )
1.4
1.2
❖ 纤芯、包层折射率都变化
要实现低折射率差，要 求d/Λ很小，孔容易坍 塌，纤芯掺细丝，降低 纤芯折射率
14
1.1 光纤的结构设计
❖ 折射率和掺杂分布变化
复合结构
抑制型三包层结构
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1.1 光纤的结构设计
❖ 光纤结构的确定需权衡5个因素的影响
大基模场面积 弯曲模场的畸变程度 工作敏感性 高低阶模的损耗差 折射率差在可加工范围内
高功率光纤激光器研究现状分析
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内容目录
1 主要技术路线 2 最新研究进展 3 目前面临困难
2
高功率光纤激光器要求
短光纤
高泵浦Байду номын сангаас收率
高损伤阈值
高功率激光
高非线性阈值
包层小
优良导热率
全玻璃光纤
大模场光纤
高数值孔径
3
大模场激光光纤的研究
研究目标
增大模场面积 提高光束质量 提升输出功率 增加稳定特性
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