掺Yb3+双包层光子晶纤激光器.ppt

光子晶体概念是1987年美国贝尔通信研究中心的物理学家和加拿大物理学家分别提出来的。虽然光子晶体是个新名词，但在自然界中却早就存在天然的光子晶体结构，比如蛋白石的表面、蝴蝶的翅膀以及丁虫的身体表面等。举例一个现象：蝴蝶翅膀在阳光下成美丽彩色，它正是由于在不同的方向上，有不同频率的光被散射和透射。 光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，简称PCF)，又称微结构光纤(Microstrure Fiber，简称MF)或多孔光纤(Holy Fiber)，根据导光机制的不同，可以将光子晶体光纤分为两类:折射率引导型PCF和光子带隙型PCF(简称PBG光纤)。折射率引导型PCF的导光方式类似于传统的全反射原理，它利用中心缺陷区和缺陷区外周期性结构区之间的有效折射率差将光子局域在高折射率的纤芯中;而PBG光纤中纤芯材料的折射率低于包层，它是利用光子晶体的不完全光子带隙结构来导光的。（所谓的光子带隙就是指由于介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波经散射后，某些波段的电磁波强度呈指数衰减，无法在系统内传递，而这些被禁止的频率区间就称为光子带隙。） 光纤激光器作为一种新型的光子源，以其阈值低、效率高、光束质量好、全固化、超紧凑、免水冷等优异性能，在光通信、光传感、光存储和光信息显示等信息科学领域以及激光美容、激光医疗、防伪打标、激光排版和材料加工等新兴行业中都有大规模的应用，已经成为当今激光技术及其应用领域的研究热点。 20世纪60年代初就发明了第一台光纤激光器，然而受到低损耗光纤制作工艺和泵浦光源的制约，在长达20多年时间里光纤激光器的研究进展十分缓慢，一直没能得到实际应用。直到20世纪80年代后期，由于掺稀土双包层光纤的成功研制，采用包层泵浦(Clad Pumping)技术使光纤激光器的输出功率提高了几个量级。目前，由掺Yb3+双包层石英光纤制成的激光器，己经获得近千瓦的单横模激光输出。但是，由于常规单横模掺杂双包层光纤的纤芯几何尺寸非常小，不仅限制了激光模体积的增大，也容易带来各种非线性效应的干扰，使光纤中的激光增益难以进一步提高。 20世纪90年代中期PCF诞生，由于这种光纤具有传统光纤无法比拟的一系列优异特性，为研制新一代高功率光纤激光器创造了有利条件。采用PCF的光纤激光器件一般可以分为以下两大类:一类是利用小模面积PCF的高非线性效应研制的激光器件;另一类是利用掺稀土元素大模面积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。在同等泵浦条件下，小模面积PCF比一般光纤更容易产生非线性效应，适合于研制低阈值、结构紧凑的拉曼光纤激光器和放大器，这样在研制激光器时不仅可以节约光纤而且可以在很大程度上降低泵浦条件，这对于激光器的实用化和商业化是十分有利的。另一方面，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，而在高功率光子晶体光纤激光器中，大模面积PCF不仅可以提高光纤激光器中泵浦光的耦合效率，而且在高泵浦功率下还能有效地减少光纤中的非线性效应，实现高功率、高光束质量的激光输出，这为高功率光子晶体光纤激光器的发展奠定了坚实的基础。 1.双包层选择 包层泵浦技术的出现成功地解决了单模光纤泵浦效率低的问题，使激光器的输出功率不断得到提高。顾名思义，双包层光纤在纤芯和包层之间多了一个内包层，从而具有双层波导区。内包层作为泵浦光波导，其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯，可以将高功率多模泵浦激光有效地耦合进增益光纤，使其多次横穿过单模光纤纤芯，并被稀土元素的原子所吸收；同时，内包层又包绕纤芯构成了传输激光的单模光波导，将激光辐射限制在纤芯内，其作用是将多模泵浦光高效率地转换为单横模激光。同时由于双包层光纤具有较大的表面积与体积比，从而可以避免产生热透镜效应。 2.掺杂选择 根据增益介质不同，光纤激光器可划分为掺稀土元素激光器和非线性效应激光器（受激拉曼散射激光器和受激布里渊散射激光器）两大类。其中稀土掺杂光纤激光器由于具有高输出功率、高转化效率、优异的光束质量等特性而备受关注。特别是掺Yb3+双包层光纤激光器，由于其可直接采用976nm或915nm的激光二极管作为泵源，又具有极高的量子效率，尤其适合发展为高功率的实用化器件。 3.大模面积光子晶体光纤选择 对于常规的双包层光纤激光器，一般采用大模面积光纤以避免由于纤芯中光强过大而造成的损伤，但是为了保持单模又需要在增大纤芯尺寸的同时，减小数值孔径，这样就使弯曲损耗增大。而且纤芯尺寸和数值孔径的极值还要受到折射率差的精确控制的限制，从而限制了常规双包光纤激光器的发展。光子晶体光纤则从另一途径解决了这一限制。 综上知掺Yb3+双包层光子晶体大模面积光纤激光器是光纤激光器非常好的选择