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全固态反谐振光纤折射率调控特性及耦合传输的数值模拟研究OA

Numerical simulation study on refractive index regulation characteristics and coupling transmission of all-solid anti-resonant fiber

中文摘要英文摘要

1 μm 波段高功率掺镱光纤激光器在激光加工、生物医疗及国防安全等领域应用广泛,然而,随着输出功率持续提升,传统大纤芯光纤易受模式不稳定与受激拉曼散射等非线性效应影响.全固态反谐振石英光纤(AS-ARF)基于其独特的反谐振导光机理,可在实现超大模场传输的同时抑制高阶模,为兼顾高功率与高光束质量提供了创新技术路径.然而,面向高功率增益应用的有源掺镱(Yb)AS-ARF,其纤芯折射率起伏对模式特性的影响机制及"阶跃光纤-AS-ARF"熔接传输特性尚未得到系统研究,制约了实用化进程.针对上述问题,通过构建六环结构 AS-ARF模型,结合理论推导与数值仿真模拟,研究了折射率起伏对光纤导光特性的影响,明确了维持原有导光机制的折射率变化临界值,验证了该光纤在目标波长下的低损耗、大模场面积及良好的光束质量保持能力;同时探究了阶跃光纤与 AS-ARF熔接耦合场景的光传输规律,仿真结果表明当入射光束直径与AS-ARF纤芯直径匹配时,传输能量衰减<2%.实现了对有源 AS-ARF核心调控参数的量化,为 Yb3+-AS-ARF的制备工艺优化(重点关注折射率均匀性控制)及实际耦合方案的设计提供了理论基础.

[Background]High-power Yb-doped fiber lasers operating in the 1 μm band have been widely applied in fields such as laser processing,biomedicine,and national defense security.However,with the continuous increase in output power,traditional large-core fibers are susceptible to transverse mode instability(TMI)and stimulated Raman scattering(SRS),among other nonlinear effects.Based on their unique anti-resonant light-guiding mechanism,all-solid anti-resonant silica fibers(AS-ARFs)can realize ultra-large mode area(LMA)propagation while suppressing higher-order modes(HOMs),thus providing an innovative technical approach for balancing high power and high beam quality.Nevertheless,for active Yb-doped AS-ARFs targeting high-power gain applications,the influence mechanism of core refractive index fluctuations on mode characteristics and the fusion-splicing transmission characteristics of"step-index fiber(SIF)-AS-ARF"structures have not been systematically investigated,which restricts their practical application.[Purpose]To address the above problems,this study aims to clarify the critical value of refractive index variation for maintaining the original light-guiding mechanism of AS-ARFs,verify their capabilities of low loss,large mode area and beam quality maintenance,explore the fusion-splicing coupling transmission characteristics between SIFs and AS-ARFs,quantify the core control parameters of active AS-ARFs,and provide theoretical support for their fabrication process optimization and coupling scheme design.[Methods]A six-ring AS-ARF theoretical model was constructed,combined with theoretical derivation and numerical simulation:Comsol Multiphysics was used to analyze the mode characteristics and the influence of refractive index fluctuations,and the Rsoft-BeamPROP module(based on the beam propagation method)was adopted to simulate the light transmission laws in the fusion-splicing coupling scenario.[Results]The critical value of refractive index variation was clarified;the designed AS-ARFs were verified to have the characteristics of low loss,large mode area and excellent beam quality at the target wavelength;the fusion-splicing coupling transmission laws were revealed,and the transmitted energy attenuation was less than 2%when the incident beam diameter matched the core diameter of AS-ARFs.[Conclusions]This study quantifies the core control parameters for active AS-ARFs,laying an important theoretical foundation for the fabrication process optimization of Yb3+-doped AS-ARFs(with a focus on refractive index uniformity control)and the design of practical coupling schemes.

李鹏鹏;郭海涛;折胜飞;张岩;高崧;赵童;彭晗;贺淼;朱治昱;侯超奇

中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院大学 材料科学与工程及光电子工程中心,北京 100049||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院大学 材料科学与工程及光电子工程中心,北京 100049||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院大学 材料科学与工程及光电子工程中心,北京 100049||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院大学 材料科学与工程及光电子工程中心,北京 100049||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院大学 材料科学与工程及光电子工程中心,北京 100049||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院大学 材料科学与工程及光电子工程中心,北京 100049||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119中国科学院 西安光学精密机械研究所 超快光科学与技术全国重点实验室,西安 710119||中国科学院大学 材料科学与工程及光电子工程中心,北京 100049||中国科学院 西安光学精密机械研究所 光子功能材料与器件研究室,西安 710119

信息技术与安全科学

全固态反谐振光纤折射率调控模式特性熔接传输模场匹配

all-solid anti-resonant fiberrefractive index regulationmode characteristicsfusion splicing transmissionmode field matching

《强激光与粒子束》 2026 (5)

60-67,8

国家自然科学基金项目(U2530204、U2241237、62105358)

10.11884/HPLPB202638.250420

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