随着光纤通信网络向高速率、大容量发展,原有的光纤技术已经不能适应需求。近些年出现的光子晶体光纤,特别是双包层掺稀土光子晶体光纤,在诸如:超宽带传输集成光学器件、超短脉冲激光器、微型光学传感器、新型光纤放大器等方面显示出良好的应用前景,为解决上述问题提供了良好的技术条件,成为目前光通信相关技术和高效激光器领域内的研究热点。对于全反射光子晶体光纤而言,结构参数和纤芯材料性能对模场面积、功率输出、色散、非线性及光损耗的影响很重要。国内外在光纤性能方面的研究已经获得了很大的进展,如:模场面积已经达到2000³000μm2,输出功率可达到2.5kw;在光子晶体光纤纤芯材料的研究方面,除了传统的石英材料之外,掺稀土激光材料已经得到广泛应用。但是,在提高单模光纤模场面积、单根光纤输出功率及拓宽光子晶体纤芯材料选择等方面,还存在不足。如:如何拓宽纤芯材料选择范围;如何在保证激光器单模传输的条件下,有效地解决模场面积和输出功率的矛盾以及确定比较成熟的光子晶体光纤制备工艺等问题有待解决。本论文分析和总结了全反射型双包层光子晶体光纤结构参数对性能的影响规律;对双包层光子晶体光纤内、外包层结构做出了多种新颖的设计;应用有限元数值分析方法对新结构光子晶体光纤进行了模拟和数值分析;根据光子晶体光纤高功率及大模场的性能要求,设计了大芯径、高激光功率输出的光子晶体光纤包层结构,分析了数值孔径与结构参数的关系;制备了两种掺稀土离子光子晶体光纤纤芯材料,各项性能的测试和分析结果表明,两种材料均适合于高功率、大模场光子晶体光纤内包层及纤芯材料,扩大了光子晶体光纤材料的选择范围;探讨了制备光子晶体光纤的工艺条件和参数,提出完善光子晶体光纤拉制工艺的思路。1.对比光子晶体光纤性能的数值分析理论,分析了影响双包层光子晶体光纤单模特性、模场面积、输出功率等性能的主要因素。通过探索高功率、大模场单模光子晶体光纤的结构特点和设计原则,设计出十八种内包层占空比分别为0.20、0.25及0.40的以掺杂Yb³⁺硅酸盐和Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐激光材料为纤芯的双包层光子晶体光纤。其中,外包层为双排空气孔的光子晶体光纤结构,是一种全新的结构设计。2.采用有限元法二次开发Comsol软件对不同结构的光子晶体光纤进行了分析和模拟,获得了有意义的结论。其中,内包层为八边形、纤芯缺失29个空气孔的光子晶体光纤,光功率和模场面积的综合性能,获得很好的结果。当用波长为1550nm的激光泵浦时,模场面积为2444.21⁵644.97μm2,符合超大模场的性能要求。另外,通过纤芯材料的对比,无论是光功率还是有效模场等方面,掺稀土磷酸盐纤芯的光子晶体光纤的性能都优于硅酸盐纤芯。3.设计了内包层纤芯缺失13个空气孔、空气孔直径为5μm、孔间距为10μm;外包层双排空气孔直径分别为8μm和7μm、孔间距为18μm的双包层光子晶体光纤,当用波长为1550nm的激光泵浦时,最大功率达到1.251×1016W/m2,模场有效直径为8.6μm,有效模场面积为232.2μm2。设计了内包层纤芯缺失29个空气孔、外包层为单排空气孔的光子晶体光纤,模场有效直径为38.9μm,有效模场面积为1187.8μm2,最大功率为4.964×1015 W/m2。为大模场、高功率、低损耗光子晶体光纤的设计分析及模拟实验提供了有益的经验。4.设计并制备了掺Yb³⁺硅酸盐和Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐激光材料。对组分作用进行分析,做出合理的优化配比,使之更适合作为光子晶体光纤纤芯材料。在制备工艺和条件方面,做了新尝试,成功制备出性能较好的新型纤芯材料。5.通过性能测试和J-O理论分析,掺镱硅酸盐纤芯材料的折射率为1.5762,荧光寿命为1.30ms,可适合于多种波长的激光器泵浦源,具有较高的吸收和转换效率。在Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐激光材料的制备过程中,提出了改进的制备方法,是一种将缩短预加热时间、恒温控制熔化温度、增加搅拌相结合的工艺。纤芯材料的折射率为1.5621,增益品质因数达到了79.58（10-21cm2×ms）的较高水平。6.采用堆积法工艺拉制了八边形光子晶体光纤,利用流体力学相关理论及数学方法,对拉制工艺条件做了分析和确定。在拉制性能优良的光子晶体光纤方面,具有参考价值。