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1、光子晶体光纤激光器 摘 要：光纤激光器是这些年来激光领域备受关注的热点，而光子晶体光纤具有很多传统光纤难以实现的优点，以光子晶体光纤作为增益介质的高功率光纤激光器受到了普遍关注。本文就光纤激光器的基本原理进行了简单的介绍，并重点介绍了双包层的光子晶体光纤激光器的研究。关键字：光纤激光器；双包层；光子晶体光纤；Yb3+前 言 光纤激光器与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好。因此，它已经在许多领域取代了传统的
2、 YAG，CO2激光器等。然而，传统光纤激光器，因受光纤波导结构限制，其数值孔径较小，耦合效率低，以及维持单模传输的纤芯面积小，在大功率运转条件下容易产生非线性效应和热光损伤等问题，输出功率受到很大限制。20 世纪 90 年代光纤家族出现了新成员光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF），由于其结构灵活多变，特别是拥有大模场面积，同时保持无限单模的优越特性，有效地克服了传统光纤激光器的种种缺陷，因此人们开始将目光转移至光子晶体光纤激光器。一 光纤激光器的基本原理1目前开发的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。光纤激光器工作原理是泵浦光通过反射镜 1（或光栅
3、 1）入射到掺杂光纤中，吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁，实现“粒子数反转”，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，同时将能量以光子形式释放，通过反射镜 2（或光栅 2）输出激光，如上图1所示。掺稀土元素的光纤通常为双包层光纤（Doub-le-Clad Fiber，DCF）。此种光纤结构如图 2 所示，由外包层、内包层和掺杂纤芯所构成，外包层的折射率小于内包层的折射率，内包层的折射率小于纤芯的折射率，从而构成双层的波导结构。掺杂双包层光纤是构成光纤激光器的关键部件，在光纤激光器中的作用主要是：1）将泵浦光功率转换为激光的工作介质；2）与其他器件共同构成激光谐振腔。其工作
4、原理主要是：将泵浦光通过侧向或端面耦合注入光纤，由于外包层折射率远低于光纤的内包层，所以内包层可以传输多模泵浦光。内包层的横截面尺寸大于纤芯，对于所产生的激光波长，内包层与掺稀土离子的纤芯构成了完善的单模光波导，同时它又与外包层构成了传输泵浦光功率的多模光波导。这样可以将大功率多模泵浦光耦合进入内包层，多模泵浦光沿光纤传输的过程中多次穿过纤芯并被吸收，由于纤芯中稀土离子被激发，从而产生较大功率信号激光输出。工作原理如图2所示。目前,对于光纤激光器的研究方向主要集中在高功率光纤激光器、窄线宽光纤激光器、多波长光纤激光器、超短脉冲光纤激光器、拉曼光纤激光器和光子晶体光纤激光器等几个方面。下面着重介
5、绍下光子晶体光纤激光器。二光子晶体光纤激光器1.光子晶体光纤光子晶体光纤(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年第一次在实验室成功制作出样品，他是基于光子晶体非凡的局域电子的能力制作而成的，他是沿轴向均匀排列着的石英光纤。从端面看，这种光纤的包层是有序排列的二维光子晶体，其纤芯是一个破坏了包层结构周期性的缺陷，光能够在缺陷内传播。这个缺陷可以是固体硅也可以是空气孔。下面是几种典型的光子晶体光纤示意图2：图3 几种典型的光子晶体光纤光子晶体光纤按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)和折
6、射率引导型光子晶体光纤(TIR-PCF)两类。2.光子晶体光纤的特性3,4,5,6（1）无截至单模，大模面积所谓“无截止单模(Endlessly Single Mode)”，即光纤的截止波长很短。普通单模光纤包层折射率随波长变化很小，当传输波长较短时，光纤v值变大，光纤波导将不再满足单模传输条件：在PCF包层中传输的短波长光由于能够更好地避开空气孔传播使短波长光对应的包层折射率更接近基质材料折射率，这样就可以使V值变化量减小，光纤仍满足单模传输条件，使短波长光很好地约束在纤芯传输因此不必减小纤芯直径，只需适当设计包层占空比dA(d为内包层空气孔直径，A为空气孔中心间隔)，PCF就可以实现无截止
7、单模传输，这是PCF不同于普通光纤的一个独特优点。在满足单模传输的情况下，增加PCF纤芯替代空气孔的实芯棒个数，就可实现较常规光纤大很多的纤芯面积，大模面积(1arge mode area，LMA)设计可以降低纤芯的功率密度，提高了光纤的非线性效应阈值，这在高功率激光传输等方面具有广泛的应用。（2）高数值孔径光纤集光能力主要与光纤数值孔径NA有关，由于包层空气孔占空比的设灵活性，PCF不仅可以实现包层，纤芯的低折射率差，设计大模面积纤芯PCF：亦可以进行包层纤芯大折射率差设计，获得高NA多模纤芯或内包层虽然空气孔结构在传输信号时会导致信号的变形，但高NA PCF对搜集和传输高功率非常有利，因此
8、在高功率包层泵浦光纤激光器和放大器方面具有很重要的应用。高NA的PCF在保证泵浦光高效耦合的基础上，允许采用小尺寸内包层设计，提高泵浦光和信号光的交叉，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为零，空气中的材料色散也非常小，这使得光子晶体光纤的色散非常特殊，光子晶体光纤的色散强烈依赖于包层空气孔的尺寸、形状和排列，由于光纤设计灵活，只要改变孔径与孔间距之比，可方便地控制光子晶体光纤的色散量，使光纤总色度色散达到所希望的分布状态。（4）非线性效应和双折射效应强非线性效应可以通过减少光纤的模场面积实现，可以通过改变空气孔的间距调节有效模场面积，在1.5m波长处调节范围
9、约为1800m2，如果在空气孔中填充合适的非线性材料，则会显著提高光子晶体光纤的非线性效应。优良的双折射效应对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态越好。在光子晶体光纤中，只需要破坏光子晶体光纤的剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射从而制备出高双折射率光子晶体光纤保偏光纤。与传统保偏光纤相比，高双折射光子晶体光纤保偏光纤具有制作工艺简单、设计自由度大、可实现高双折射、对温度变化不敏感等优点。在光子晶体光纤的纤芯中掺入稀土元素，可以制成光纤激光器；利用光子晶体光纤可以灵活设计的模场特性，改变传导模式和有源介质之间的相互作用，可以制造适用于不同要求的激光器。
10、3.光子晶体光纤激光器的基本原理7,8双包层光子晶体光纤激光器与其它常规激光器一样，也是由三个基本部分构成：泵浦源、增益介质和谐振腔。泵浦源的能量激励掺杂于双包层光纤纤芯中的稀土离子，形成粒子数反转，使受激辐射光在谐振腔中振荡放大，最后形成激光输出。图4 光子晶体光纤激光器的基本原理由于 PCF 光纤中存在许多空气孔不利于光纤的焊接，环形腔结构的 PCF 激光器难以实现，目前报道的 PCF 激光器多采用线性 F-P 腔结构。如图 4所示，一段 PCF 作为增益介质，二色镜(M1)、反射镜(M2)。或光纤端面等作为谐振腔镜，加上所需的抽运源，便构成了线性 F-P 腔结构的 PCF 激光器。PCF
11、 激光器与常规光纤激光器的主要不同点就在于所用增益介质为 PCF。根据所用 PCF 的不同，PCF 激光器件可以分为两大类：一类是利用小模面积 PCF 高非线性效应的激光器件；另一类是利用掺稀土元素大模面积(LMA)PCF (尤其是双包层 PCF) 研制的高功率、高光束质量近红外 PCF 激光器。普通光纤激光器提高功率往往是以牺牲光束质量为代价的，而在大功率 PCF激光器中，大模面积 PCF 不仅可以提高光纤激光中抽运光的耦合效率，而且在高抽运功率下还能有效地减少光纤中的非线性效应，实现高功率和高光束质量的激光输出。在双包层PCF中，将光子晶体光纤与包层抽运技术结合，为高光束质量、高功率光纤激
12、光器的进一步发展提供了条件；通过提高包层的空气填充比就可增大外包层与稀土掺杂双包层光子晶体光纤激光器包层的相对折射率差，从而增大光纤内包层的数值孔径；通过增大气孔间距 A和减小气孔直径 d 都可以获得大的模场面积。因而基于光子晶体光纤的双包层光纤，利用了光子晶体光纤的结构优势，利用空气孔层作为光纤的内包层，在折射率调制上非常便利，可以具有更大的模场面积和更大的内包层数值孔径，从而避免由于高功率和放大自发辐射所产生的非线性效应，并提高抽运光的耦合效率。4. 掺钇(Yb3+)双包层PCF激光器目前报导的掺杂PCF激光器主要有掺Yb3+、掺Nd3+和掺Er3+种PCF激光器，报导最多的是掺Yb3+P
13、CF激光器。与其他掺杂光纤相比，掺Yb3+光纤具有其独特的优点：Yb3+能级结构比较简单；有较宽的吸收光谱(800nm-1060nm)；它的增益谱也很宽(975nm-1200nm)，970-1064nm范围是吸收和发射谱重叠部分。Yb3+离子如此宽的吸收带可以选择许多激光器作为泵浦源。如A1GaAs、InGaAs激光二极管，Ti：sapphire激光器等，并且具有高的吸收和转换效率。此外Yb3+离子的其它能级都在紫外区。因此以Yb3+离子掺杂PCF可以消除多光子弛豫及激发态吸收的影响。Yb3+离子掺杂PCF也具有相当高的吸收和发射横截面积。适合于发展高功率激光器件。许多高功率固体激光器也利用镱
14、掺杂晶体作为激活介质9。调谐输出的掺Yb3+光纤激光器在国内外已有了较多的报道。2003年，德国耶拿的Friedrich Schiller 大学和丹麦的 Crystal Fiber 公司根据双包层和大模场面积设计制作出大功率掺 Yb3+PCFL。2.3m 长的空气包层 PCFL 实现了 80W 输出功率，斜效率为 78%。2004 年，英国 SPI 制备双端泵浦 12m 长的双包层光纤(内 NA 低于 0.05，芯径 40m)，输出功率 1.36kW，输出激光波长在 1.1m，光束质量因子 M2=1.4，光束质量接近衍射极限，斜率为 83%；丹麦 Crystal Fibre 公司制备出基于形状
15、双折射原理研制的掺 Yb3+双包层偏振 PCF，得到了 2.9W 的偏振激光输出。2007 年，丹麦的 Crystal fibre A/S 公司制备出双包层 偏 振 保 持 Yb3 +掺 杂 PC（DC-200/ 70-PM-Yb-ROD）。 这种光纤能够做到偏振保持特性，并且其有效面积高达 2000m2， 大的有效面积保证光纤比较大的脉冲吸收，吸收系数为 30dB/m，其外直径高达 1.7mm，大的外径保证了光纤有一个比较大的芯，也就不再受弯曲损耗的限制。2008 年 3 月，德国 Jena 研究所与丹麦 Crystal Fi-bre A/S 公司合作报道了一种 Yb3 +掺杂单横模棒状PC
16、F，这种光纤具有低非线性和内在偏振稳定的优势。基模模场面积高达 2300m2， 输出功率高达 163W，在谐振腔没有任何附加偏振元件的条件下偏振度大于85， 输出光束的质量 M21.2， 单横模窗口的范围是10301080nm， 与掺 Yb3+硅光纤的增益轮廓能够很好的重叠， 这种用于偏振或偏振保持的稀土掺杂双包层光纤具有迄今最大的模场面积。近几年，国外的大模面积双包层掺 Yb3+PCFL 发展迅速，而国内 PCF 激光器的研究刚刚起步，由于 PCF研制技术等方面的限制， 目前国内只限于中低功率的PCF 激光器的研究。展 望光子晶体光纤由于其灵活的光学可控性和新颖的结构特性，在实现大数值孔径和大模场面积的同时，保证单横模运转，且耐热性能好，比常规双包层光纤更适用
