在高功率激光运转条件下,掺杂稀土离子的量子亏损和玻璃材料的本征吸收均会造成光纤放大器中增益光纤温度的整体上升与梯度分布。在热平衡状态下,光纤材料的热光效应将会诱导光纤横向折射率的再分布,引发高功率激光运转条件下增益光纤模式特性的改变。为此,利用多物理场有限元建模的数值计算方法对高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤的热致模式特性展开系统研究,分析总结大模场增益光纤的模式特性在不同激光运转功率、增益光纤设计参数(纤芯直径、数值孔径、热光系数)和光纤弯曲使用条件下的变化规律。结果表明,随着激光运转功率的增加,纤芯和包层之间的温差会变大,从而导致光纤的归一化参数V值增大,最终使模式的传输损耗系数减小,模式在纤芯区域的功率因子增大。

设计了一种金属三角肋和增益介质三角肋完全对称并带有圆柱形空气缝隙的新型混合等离子体波导结构。采用COMSOL Multiphysics软件,分别仿真了波导的二维和三维耦合电场分布模型,并基于有限元法分析了波导的模式特性。研究结果表明:当工作波长为1550 nm时,设计的波导结构具有很强的光场约束能力、超长的传输距离、超低的传输损耗和增益阈值。对波导的结构参数进行了优化,当波导的有效模场面积达到0.0022λ2时,波导的传输距离能够达到69805 nm,传输损耗低至0.0017;基于此波导的激光器也具有很低的增益阈值,为49.3 cm -1。最后研究了实际制备过程中可能出现的制作误差对波导性能的影响,并分析得出此波导结构对制作误差具有较高的容忍度。与同类型带有空气缝隙的波导结构相比,此波导的综合性能更优,在各种集成纳米光子设备中具有很大的应用潜力。

设计了一种包含圆柱形纳米线、空气间隙和半圆顶金属脊结构的低阈值纳米激光器.通过有限元法对激光器的模式特性、品质因数以及增益阈值进行数值计算，并研究了这些特性因子随结构几何参数(空气间隙、金属脊宽度和纳米线半径)的变化情况.结果表明，通过对参数进行调整，激光器的性能得到了显著优化.在最优参数下，增益阈值可达0.47 μm-1，传输损耗仅为0.018.本文设计的纳米激光器能够实现低阈值的亚波长激射和低损耗传输，在生物医学、光通信等领域有广泛的应用前景，可为小型化和集成化的纳米设备提供技术支持.

设计了一种由涂覆双层石墨烯的圆形介质纳米线组成的表面等离子体光波导。利用有限元法(FEM), 数值分析了纳米线半径、介质夹层厚度、石墨烯化学势以及工作频率对波导所支持的电磁场模式的有效折射率、传播长度、归一化模式面积以及品质因数等模式特性的影响。结果表明, 这种新型的混合表面等离子体光波导具有很强的模式束缚能力, 归一化模式面积非常小, 可以实现极高密度的器件集成, 并且传输损耗较低。

设计了一种带有金属脊和氟化镁夹层的紫外混合表面等离子体纳米激光器。在COMSOL Multiphysics软件的基础上, 使用有限元法分析了所设计激光器结构的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值。结果表明: 在工作波长为390 nm的紫外波段, 通过最优参数设计, 其光场约束可达到较好的深亚波长水平, 同时保持高的品质因数、低的损耗和阈值。与平坦金属层结构相比, 在相同的参数下, 所设计的结构具有更强的光场限制能力和更强的微腔束缚能力, 有潜力使纳米设备趋于小型化和集成化。