光子晶體光纖激光器

1、光子晶體光纖激光器摘 要：光纖激光器是這些年來激光領(lǐng)域備受關(guān)注的熱點(diǎn)，而光子晶體光纖具有很多傳統(tǒng)光纖難以實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，以光子晶體光纖作為增益介質(zhì)的高功率光纖激光器受到了普遍關(guān)注。 本文就光纖激光器的基本原理進(jìn)行了簡單的介紹，并重點(diǎn)介紹了雙包層的光子晶體光纖激光器的研究。關(guān)鍵字：光纖激光器；雙包層；光子晶體光纖；Yb3+前 言 光纖激光器與傳統(tǒng)的固體、氣體激光器相比，光纖激光器具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，例如光束質(zhì)量好，體積小，重量輕，免維護(hù)，風(fēng)冷卻，易于操作，運(yùn)行成本低，可在工業(yè)化環(huán)境下長期使用；而且加工精度高，速度快，壽命長，省能源，尤其可以智能化，自動化，柔性好。因此，它已經(jīng)在許多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)的

2、 YAG，CO2激光器等。然而，傳統(tǒng)光纖激光器，因受光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)限制，其數(shù)值孔徑較小，耦合效率低，以及維持單模傳輸?shù)睦w芯面積小，在大功率運(yùn)轉(zhuǎn)條件下容易產(chǎn)生非線性效應(yīng)和熱光損傷等問題，輸出功率受到很大限制。20 世紀(jì) 90 年代光纖家族出現(xiàn)了新成員光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF），由于其結(jié)構(gòu)靈活多變，特別是擁有大模場面積，同時(shí)保持無限單模的優(yōu)越特性，有效地克服了傳統(tǒng)光纖激光器的種種缺陷，因此人們開始將目光轉(zhuǎn)移至光子晶體光纖激光器。一 光纖激光器的基本原理1目前開發(fā)的光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)。光纖激光器工作原理是泵浦光通過反射鏡 1（或光柵

3、 1）入射到摻雜光纖中，吸收了光子能量的稀土離子會發(fā)生能級躍遷，實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，反轉(zhuǎn)后的粒子經(jīng)弛豫后會以輻射形式再從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，同時(shí)將能量以光子形式釋放，通過反射鏡 2（或光柵 2）輸出激光，如上圖1所示。摻稀土元素的光纖通常為雙包層光纖（Doub-le-Clad Fiber，DCF）。此種光纖結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，由外包層、內(nèi)包層和摻雜纖芯所構(gòu)成，外包層的折射率小于內(nèi)包層的折射率，內(nèi)包層的折射率小于纖芯的折射率，從而構(gòu)成雙層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。摻雜雙包層光纖是構(gòu)成光纖激光器的關(guān)鍵部件，在光纖激光器中的作用主要是：1）將泵浦光功率轉(zhuǎn)換為激光的工作介質(zhì)；2）與其他器件共同構(gòu)成激光諧振腔。其工作

4、原理主要是：將泵浦光通過側(cè)向或端面耦合注入光纖，由于外包層折射率遠(yuǎn)低于光纖的內(nèi)包層，所以內(nèi)包層可以傳輸多模泵浦光。內(nèi)包層的橫截面尺寸大于纖芯，對于所產(chǎn)生的激光波長，內(nèi)包層與摻稀土離子的纖芯構(gòu)成了完善的單模光波導(dǎo)，同時(shí)它又與外包層構(gòu)成了傳輸泵浦光功率的多模光波導(dǎo)。這樣可以將大功率多模泵浦光耦合進(jìn)入內(nèi)包層，多模泵浦光沿光纖傳輸?shù)倪^程中多次穿過纖芯并被吸收，由于纖芯中稀土離子被激發(fā)，從而產(chǎn)生較大功率信號激光輸出。工作原理如圖2所示。目前,對于光纖激光器的研究方向主要集中在高功率光纖激光器、窄線寬光纖激光器、多波長光纖激光器、超短脈沖光纖激光器、拉曼光纖激光器和光子晶體光纖激光器等幾個(gè)方面。下面著重介

5、紹下光子晶體光纖激光器。二光子晶體光纖激光器1.光子晶體光纖光子晶體光纖(photonic crystal fiber，pCF)的概念最早是由P.St.J.Russell等人于1992年提出的,并于1996年第一次在實(shí)驗(yàn)室成功制作出樣品，他是基于光子晶體非凡的局域電子的能力制作而成的，他是沿軸向均勻排列著的石英光纖。從端面看，這種光纖的包層是有序排列的二維光子晶體，其纖芯是一個(gè)破壞了包層結(jié)構(gòu)周期性的缺陷，光能夠在缺陷內(nèi)傳播。這個(gè)缺陷可以是固體硅也可以是空氣孔。下面是幾種典型的光子晶體光纖示意圖2：圖3 幾種典型的光子晶體光纖光子晶體光纖按其傳導(dǎo)機(jī)制可分為帶隙型光子晶體光纖(PBG-PCF)和折

6、射率引導(dǎo)型光子晶體光纖(TIR-PCF)兩類。2.光子晶體光纖的特性3,4,5,6（1）無截至單模，大模面積所謂“無截止單模(Endlessly Single Mode)”，即光纖的截止波長很短。普通單模光纖包層折射率隨波長變化很小，當(dāng)傳輸波長較短時(shí)，光纖v值變大，光纖波導(dǎo)將不再滿足單模傳輸條件：在PCF包層中傳輸?shù)亩滩ㄩL光由于能夠更好地避開空氣孔傳播使短波長光對應(yīng)的包層折射率更接近基質(zhì)材料折射率，這樣就可以使V值變化量減小，光纖仍滿足單模傳輸條件，使短波長光很好地約束在纖芯傳輸因此不必減小纖芯直徑，只需適當(dāng)設(shè)計(jì)包層占空比dA(d為內(nèi)包層空氣孔直徑，A為空氣孔中心間隔)，PCF就可以實(shí)現(xiàn)無截止

7、單模傳輸，這是PCF不同于普通光纖的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。在滿足單模傳輸?shù)那闆r下，增加PCF纖芯替代空氣孔的實(shí)芯棒個(gè)數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)較常規(guī)光纖大很多的纖芯面積，大模面積(1arge mode area，LMA)設(shè)計(jì)可以降低纖芯的功率密度，提高了光纖的非線性效應(yīng)閾值，這在高功率激光傳輸?shù)确矫婢哂袕V泛的應(yīng)用。（2）高數(shù)值孔徑光纖集光能力主要與光纖數(shù)值孔徑NA有關(guān)，由于包層空氣孔占空比的設(shè)靈活性，PCF不僅可以實(shí)現(xiàn)包層，纖芯的低折射率差，設(shè)計(jì)大模面積纖芯PCF：亦可以進(jìn)行包層纖芯大折射率差設(shè)計(jì)，獲得高NA多模纖芯或內(nèi)包層雖然空氣孔結(jié)構(gòu)在傳輸信號時(shí)會導(dǎo)致信號的變形，但高NA PCF對搜集和傳輸高功率非常有利，因此

8、在高功率包層泵浦光纖激光器和放大器方面具有很重要的應(yīng)用。高NA的PCF在保證泵浦光高效耦合的基礎(chǔ)上，允許采用小尺寸內(nèi)包層設(shè)計(jì)，提高泵浦光和信號光的交叉，增加泵浦光吸收效率。（3）色散特性反常色散及色散可控特性真空中材料色散為零，空氣中的材料色散也非常小，這使得光子晶體光纖的色散非常特殊，光子晶體光纖的色散強(qiáng)烈依賴于包層空氣孔的尺寸、形狀和排列，由于光纖設(shè)計(jì)靈活，只要改變孔徑與孔間距之比，可方便地控制光子晶體光纖的色散量，使光纖總色度色散達(dá)到所希望的分布狀態(tài)。（4）非線性效應(yīng)和雙折射效應(yīng)強(qiáng)非線性效應(yīng)可以通過減少光纖的模場面積實(shí)現(xiàn)，可以通過改變空氣孔的間距調(diào)節(jié)有效2模場面積，在1.5m波長處調(diào)節(jié)范

9、圍約為1800m，如果在空氣孔中填充合適的非線性材料，則會顯著提高光子晶體光纖的非線性效應(yīng)。優(yōu)良的雙折射效應(yīng)對于保偏光纖而言，雙折射效應(yīng)越強(qiáng)，波長越短，所保持的傳輸光偏振態(tài)越好。在光子晶體光纖中，只需要破壞光子晶體光纖的剖面圓對稱性，使其構(gòu)成二維結(jié) 構(gòu)就可以形成很強(qiáng)的雙折射從而制備出高雙折射率光子晶體光纖保偏光纖。與傳統(tǒng)保偏光纖相比，高雙折射光子晶體光纖保偏光纖具有制作工藝簡單、設(shè)計(jì)自由度大、可實(shí)現(xiàn)高雙折射、對溫度變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。在光子晶體光纖的纖芯中摻入稀土元素，可以制成光纖激光器；利用光子晶體光纖可以靈活設(shè)計(jì)的模場特性，改變傳導(dǎo)模式和有源介質(zhì)之間的相互作用，可以制造適用于不同要求的激光器

10、。3.光子晶體光纖激光器的基本原理7,8雙包層光子晶體光纖激光器與其它常規(guī)激光器一樣，也是由三個(gè)基本部分構(gòu)成：泵浦源、增益介質(zhì)和諧振腔。泵浦源的能量激勵(lì)摻雜于雙包層光纖纖芯中的稀土離子，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射光在諧振腔中振蕩放大，最后形成激光輸出。圖4 光子晶體光纖激光器的基本原理由于 PCF 光纖中存在許多空氣孔不利于光纖的焊接，環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的 PCF 激光器難以實(shí)現(xiàn)，目前報(bào)道的 PCF 激光器多采用線性 F-P 腔結(jié)構(gòu)。如圖 4所示，一段 PCF 作為增益介質(zhì)，二色鏡(M1)、反射鏡(M2)。或光纖端面等作為諧振腔鏡，加上所需的抽運(yùn)源，便構(gòu)成了線性 F-P 腔結(jié)構(gòu)的 PCF 激光器。PC

11、F 激光器與常規(guī)光纖激光器的主要不同點(diǎn)就在于所用增益介質(zhì)為 PCF。根據(jù)所用 PCF 的不同，PCF 激光器件可以分為兩大類：一類是利用小模面積 PCF 高非線性效應(yīng)的激光器件；另一類是利用摻稀土元素大模面積(LMA)PCF (尤其是雙包層 PCF) 研制的高功率、高光束質(zhì)量近紅外 PCF 激光器。普通光纖激光器提高功率往往是以犧牲光束質(zhì)量為代價(jià)的，而在大功率 PCF激光器中，大模面積 PCF 不僅可以提高光纖激光中抽運(yùn)光的耦合效率，而且在高抽運(yùn)功率下還能有效地減少光纖中的非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高功率和高光束質(zhì)量的激光輸出。在雙包層PCF中，將光子晶體光纖與包層抽運(yùn)技術(shù)結(jié)合，為高光束質(zhì)量、高功率光纖

12、激光器的進(jìn)一步發(fā)展提供了條件；通過提高包層的空氣填充比就可增大外包層與稀土摻雜雙包層光子晶體光纖激光器包層的相對折射率差，從而增大光纖內(nèi)包層的數(shù)值孔徑；通過增大氣孔間距 A和減小氣孔直徑 d 都可以獲得大的模場面積。因而基于光子晶體光纖的雙包層光纖，利用了光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，利用空氣孔層作為光纖的內(nèi)包層，在折射率調(diào)制上非常便利，可以具有更大的模場面積和更大的內(nèi)包層數(shù)值孔徑，從而避免由于高功率和放大自發(fā)輻射所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，并提高抽運(yùn)光的耦合效率。4. 摻釔(Yb3+)雙包層PCF激光器目前報(bào)導(dǎo)的摻雜PCF激光器主要有摻Y(jié)b3+、摻Nd3+和摻Er3+種PCF激光器，報(bào)導(dǎo)最多的是摻Y(jié)b3+

13、PCF激光器。與其他摻雜光纖相比，摻Y(jié)b3+光纖具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：Yb3+能級結(jié)構(gòu)比較簡單；有較寬的吸收光譜(800nm-1060nm)；它的增益譜也很寬(975nm-1200nm)，970-1064nm范圍是吸收和發(fā)射譜重疊部分。Yb3+離子如此寬的吸收帶可以選擇許多激光器作為泵浦源。如A1GaAs、InGaAs激光二極管，Ti：sapphire激光器等，并且具有高的吸收和轉(zhuǎn)換效率。此外Yb3+離子的其它能級都在紫外區(qū)。因此以Yb3+離子摻雜PCF可以消除多光子弛豫及激發(fā)態(tài)吸收的影響。Yb3+離子摻雜PCF也具有相當(dāng)高的吸收和發(fā)射橫截面積。適合于發(fā)展高功率激光器件。許多高功率固體激光器也利用

14、鐿摻雜晶體作為激活介質(zhì)9。調(diào)諧輸出的摻Y(jié)b3+光纖激光器在國內(nèi)外已有了較多的報(bào)道。2003年，德國耶拿的Friedrich Schiller 大學(xué)和丹麥的 Crystal Fiber 公司根據(jù)雙包3+層和大模場面積設(shè)計(jì)制作出大功率摻 YbPCFL。2.3m 長的空氣包層 PCFL 實(shí)現(xiàn)了 80W 輸出功率，斜效率為 78%。2004 年，英國 SPI 制備雙端泵浦 12m 長的雙包層光纖(內(nèi) NA 低于 0.05，芯徑 40m)，輸出功率 1.36kW，輸出激光波長在 1.1m，光束質(zhì)量因子 M2=1.4，光束質(zhì)量接近衍射極限，斜率為 83%；丹麥 Crystal Fibre 公司制備出基于形

15、狀雙折射原理研制的摻 Yb3+雙包層偏振 PCF，得到了 2.9W 的偏振激光輸出。2007 年，丹麥的 Crystal fibre A/S 公司制備出雙包層 偏 振 保 持 Yb摻 雜 PC（DC-200/ 70-PM-Yb-ROD）。 這種光纖能夠做到偏振保持特性，并且其有效面積高達(dá) 2000m2， 大的有效面積保證光纖比較大的脈沖吸收，吸收系數(shù)為 30dB/m，其外直徑高達(dá)1.7mm，大的外徑保證了光纖有一個(gè)比較大的芯，也就不再受彎曲損耗的限制。2008 年 3 月，德國 Jena 研究所與丹麥 Crystal Fi-bre A/S 公司合作報(bào)道了一種 Yb摻雜單橫模棒狀PCF，這種光纖

16、具有低非線性和內(nèi)在偏振穩(wěn)定的優(yōu)勢?；Ｄ雒娣e高達(dá) 2300m2， 輸出功率高達(dá) 163W，在諧振腔沒有任何附加偏振元件的條件下偏振度大于85， 輸出光束的質(zhì)量 M1.2， 單橫模窗口的范圍是10301080nm， 與摻 Yb3+硅光纖的增益輪廓能夠很好的重疊， 這種用于偏振或偏振保持的稀土摻雜雙包層光纖具有迄今最大的模場面積。近幾年，國外的大模面積雙包層摻 Yb3PCFL 發(fā)展迅速，而國內(nèi) PCF 激光器的研究剛剛起步，由于 PCF研制技術(shù)等方面的限制， 目前國內(nèi)只限于中低功率的PCF 激光器的研究。 +23 +3 +展 望光子晶體光纖由于其靈活的光學(xué)可控性和新穎的結(jié)構(gòu)特性，在實(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑和大模場面積的同時(shí)，保證單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)，且耐熱性能好，比常規(guī)雙包層光纖更適用于高功率激光器的研制。 國內(nèi)外高功率光子晶體光纖的最新進(jìn)展，充分證明了其在高功率激光器應(yīng)用中的廣泛前景。參考文獻(xiàn)1. 候藍(lán)田，韓穎. 光纖激光器的發(fā)展與應(yīng)用J. 燕山大學(xué)學(xué)報(bào). 2011.35(2): 95-962. Jonathan C. Knight. Photonic crystal fibresJ. nature. 2003. 424(14): 8493. 崔建華. 摻Y(jié)b<'3+>雙包層光子晶體光纖激光器研究D.河北大學(xué).2007.4. 吳銘.光子