光子晶体光纤激光器光子晶体光纤激光器.docVIP

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 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。 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 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d／A(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