摘要
反谐振空芯光纤是2010年之后兴起的新型微结构空芯光纤，因其宽带、低损的传输特性而吸引了大量关注。该光纤的包层通常只由一圈相互分立的毛细管构成而纤芯边界开放。依靠厚度仅为波长量级的负曲率芯壁，反谐振空芯光纤可将绝大部分光限制在纤芯，极大克服基体材料性质的影响，显著降低材料损耗。目前，低损耗反谐振空芯光纤已经蓬勃发展，并在光通信、高功率超短脉冲激光传输、气体激光器和气体传感等方面等有所应用。 本论文从理论仿真和制各两方面对反谐振空芯光纤进行研究。理论仿真方面主要研究基体材料性质对于此类光纤的影响程度以及影响机制，从而为发展或选择新的光纤材料和优化反谐振空芯光纤性能提供指导。而制备方面主要基于堆叠拉制法对反谐振空芯光纤的拉制工艺进行探索，并对拉制的光纤进行损耗表征以及应用验证。本论文一共有六个章节。其中前两章分别是绪论和理论基础及研究方法，第三章至第五章为论文的核心部分，第六章为结论与展望。 在第一章中，介绍了空芯光纤的起源，并以损耗降低为主线详细讲述了传统空芯光纤、光子带隙空芯光纤、Kagome空芯光纤和反谐振空芯光纤的发展历程以及各自的性能特点和结构优化思路，然后对反谐振空芯光纤的导光机理模型、损耗研究进展和应用分别进行了介绍。 在第二章中，首先介绍了空芯光纤的泄漏模理论及经典模型，然后介绍了有限元理论以及基于该理论的COMSOL建模仿真步骤。以石英基无节点反谐振空芯光纤为例，研究了不同网格划分策略对于计算结果收敛性的影响，并得出结论，即计算结果仅敏感于石英区域的网格划分，当石英区域的网格最大单元尺寸被限制在1/4的石英介质内波长以下时，计算结果趋于收敛。最后简单介绍了用于测试光纤损耗的截断法，并针对反谐振空芯光纤的损耗测试提出了几点注意。 在第三章中，系统研究了材料折射率对于反谐振空芯光纤波导性质的影响。首先基于有限元法计算材料折射率变化对于传统空芯光纤波导性质的影响，结果与Marcatili-Schmeltzer模型以及菲涅尔方程的预测高度吻合。根据计算结果可知，传统空芯光纤中泄漏损耗受折射率调制且当折射率为√3时损耗最低，但色散性质与折射率无关。接着，建立具有不同芯径（30μm、40μm、50μm）的无节点反谐振空芯光纤模型，并将第一谐振波长固定为750nm，然后计算了材料折射率对于光纤波导性质的影响。根据计算结果可知，各芯径下泄漏损耗随折射率的变化趋势与传统管波导一样，但泄漏损耗最低处对应的折射率由√3移到了1.5，且当光纤处于远离谐振弯曲半径的弯曲状态时，具有同样的结果;另一方面，首次发现材料折射率对于反谐振空芯光纤的色散性质具有一定调节作用，且在折射率为1.8时色散曲线最为平坦。另外，无论在传统管波导还是反谐振空芯光纤中，折射率的升高都使得光场与包层材料的空间交叠程度下降，说明高折射率有利于降低空芯光纤的材料损耗。 在第四章中，深入研究材料吸收影响反谐振空芯光纤总损耗的物理机制。基于Snyder和Love的经典光波导理论，将模式重叠因子的概念推广至空芯光纤领域，严格推导了反谐振空芯光纤中模式重叠因子的半解析表达式，并通过与有限元结果的对比验证了其准确性，即当材料吸收为103dB/m时，在不同的光纤参数和波长条件下，误差都小于2％。接着，结合提出的表达式系统讨论了在材料高吸收条件下光纤结构参数对于反谐振空芯光纤材料损耗的影响，并揭示了低材料损耗反谐振空芯光纤的设计原则，即采用大芯径以及具有最薄反谐振壁厚的芯壁。 在第五章中，探索了石英无节点反谐振空芯光纤的制备工艺，并结合实验结果说明了拉制过程中微结构成型对于包层气压的敏感性，以及纵向均匀性受预制棒准备情况和气压、炉温、速度等参数波动的影响。另外，成功制备了若干款第一传输带位于近红外和中红外波段的无节点反谐振空芯光纤并表征了损耗性能，其中近红外波段损耗可稳定降至0.1dB/m以下，其中最低损耗约30dB/km，而在2.85-3.32μm中红外波段的损耗低于60dB/km，优于商用InF3光纤。此外，利用近红外反谐振空芯光纤传输1064nm高功率激光，实现了高达280W的传输功率;而中红外反谐振空芯光纤也在气体传感应用中也得到验证，实现了同时对CH4和CO2气体的高灵敏度探测，其最低检测限分别为24ppb和144ppm。 最后，第六章总结了本论文的研究内容与相关结论，并指出了本研究的创新点和下一阶段的研究方向。
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