摻Y(jié)b3+雙包層光子晶纖激光器

摻Y(jié)b3+雙包層光子晶體纖激光器

光子晶體概念是1987年美國貝爾通信研究中心的物理學(xué)家和加拿大物理學(xué)家分別提出來的。雖然光子晶體是個新名詞，但在自然界中卻早就存在天然的光子晶體結(jié)構(gòu)，比如蛋白石的表面、蝴蝶的翅膀以及丁蟲的身體表面等。舉例一個現(xiàn)象：蝴蝶翅膀在陽光下成美麗彩色，它正是由于在不同的方向上，有不同頻率的光被散射和透射。一、光子晶體光纖

光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber，簡稱PCF)，又稱微結(jié)構(gòu)光纖(MicrostrureFiber，簡稱MF)或多孔光纖(HolyFiber)，根據(jù)導(dǎo)光機(jī)制的不同，可以將光子晶體光纖分為兩類:折射率引導(dǎo)型PCF和光子帶隙型PCF(簡稱PBG光纖)。折射率引導(dǎo)型PCF的導(dǎo)光方式類似于傳統(tǒng)的全反射原理，它利用中心缺陷區(qū)和缺陷區(qū)外周期性結(jié)構(gòu)區(qū)之間的有效折射率差將光子局域在高折射率的纖芯中;而PBG光纖中纖芯材料的折射率低于包層，它是利用光子晶體的不完全光子帶隙結(jié)構(gòu)來導(dǎo)光的。（所謂的光子帶隙就是指由于介電系數(shù)的變化足夠大且變化周期與光波長相當(dāng)時，光波經(jīng)散射后，某些波段的電磁波強(qiáng)度呈指數(shù)衰減，無法在系統(tǒng)內(nèi)傳遞，而這些被禁止的頻率區(qū)間就稱為光子帶隙。）

光纖激光器作為一種新型的光子源，以其閾值低、效率高、光束質(zhì)量好、全固化、超緊湊、免水冷等優(yōu)異性能，在光通信、光傳感、光存儲和光信息顯示等信息科學(xué)領(lǐng)域以及激光美容、激光醫(yī)療、防偽打標(biāo)、激光排版和材料加工等新興行業(yè)中都有大規(guī)模的應(yīng)用，已經(jīng)成為當(dāng)今激光技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點。20世紀(jì)60年代初就發(fā)明了第一臺光纖激光器，然而受到低損耗光纖制作工藝和泵浦光源的制約，在長達(dá)20多年時間里光纖激光器的研究進(jìn)展十分緩慢，一直沒能得到實際應(yīng)用。直到20世紀(jì)80年代后期，由于摻稀土雙包層光纖的成功研制，采用包層泵浦(CladPumping)技術(shù)使光纖激光器的輸出功率提高了幾個量級。目前，由摻Y(jié)b3+雙包層石英光纖制成的激光器，己經(jīng)獲得近千瓦的單橫模激光輸出。但是，由于常規(guī)單橫模摻雜雙包層光纖的纖芯幾何尺寸非常小，不僅限制了激光模體積的增大，也容易帶來各種非線性效應(yīng)的干擾，使光纖中的激光增益難以進(jìn)一步提高。二、光子晶體光纖激光器的發(fā)展20世紀(jì)90年代中期PCF誕生，由于這種光纖具有傳統(tǒng)光纖無法比擬的一系列優(yōu)異特性，為研制新一代高功率光纖激光器創(chuàng)造了有利條件。采用PCF的光纖激光器件一般可以分為以下兩大類:一類是利用小模面積PCF的高非線性效應(yīng)研制的激光器件;另一類是利用摻稀土元素大模面積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。在同等泵浦條件下，小模面積PCF比一般光纖更容易產(chǎn)生非線性效應(yīng)，適合于研制低閾值、結(jié)構(gòu)緊湊的拉曼光纖激光器和放大器，這樣在研制激光器時不僅可以節(jié)約光纖而且可以在很大程度上降低泵浦條件，這對于激光器的實用化和商業(yè)化是十分有利的。另一方面，普通光纖激光器提高功率往往是以犧牲光束質(zhì)量為代價的，而在高功率光子晶體光纖激光器中，大模面積PCF不僅可以提高光纖激光器中泵浦光的耦合效率，而且在高泵浦功率下還能有效地減少光纖中的非線性效應(yīng)，實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，這為高功率光子晶體光纖激光器的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。1.雙包層選擇

包層泵浦技術(shù)的出現(xiàn)成功地解決了單模光纖泵浦效率低的問題，使激光器的輸出功率不斷得到提高。顧名思義，雙包層光纖在纖芯和包層之間多了一個內(nèi)包層，從而具有雙層波導(dǎo)區(qū)。內(nèi)包層作為泵浦光波導(dǎo)，其橫向尺寸和數(shù)值孔徑遠(yuǎn)大于纖芯，可以將高功率多模泵浦激光有效地耦合進(jìn)增益光纖，使其多次橫穿過單模光纖纖芯，并被稀土元素的原子所吸收；同時，內(nèi)包層又包繞纖芯構(gòu)成了傳輸激光的單模光波導(dǎo)，將激光輻射限制在纖芯內(nèi)，其作用是將多模泵浦光高效率地轉(zhuǎn)換為單橫模激光。同時由于雙包層光纖具有較大的表面積與體積比，從而可以避免產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)。三、摻Y(jié)b3+雙包層光子晶體大模面積光纖激光器的選擇

2.摻雜選擇

根據(jù)增益介質(zhì)不同，光纖激光器可劃分為摻稀土元素激光器和非線性效應(yīng)激光器（受激拉曼散射激光器和受激布里淵散射激光器）兩大類。其中稀土摻雜光纖激光器由于具有高輸出功率、高轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)異的光束質(zhì)量等特性而備受關(guān)注。特別是摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器，由于其可直接采用976nm或915nm的激光二極管作為泵源，又具有極高的量子效率，尤其適合發(fā)展為高功率的實用化器件。3.大模面積光子晶體光纖選擇對于常規(guī)的雙包層光纖激光器，一般采用大模面積光纖以避免由于纖芯中光強(qiáng)過大而造成的損傷，但是為了保持單模又需要在增大纖芯尺寸的同時，減小數(shù)值孔徑，這樣就使彎曲損耗增大。而且纖芯尺寸和數(shù)值孔徑的極值還要受到折射率差的精確控制的限制，從而限制了常規(guī)雙包光纖激光器的發(fā)展。光子晶體光纖則從另一途徑解決了這一限制。

綜上知摻Y(jié)b3+雙包層光子晶體大模面積光纖激光器是光纖激光器非常好的選擇。四、光子晶體光纖激光器結(jié)構(gòu)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。4.1諧振腔的構(gòu)成F-P腔可以分為三種類型:二向色鏡作為腔鏡、光纖光柵作為腔鏡和光纖環(huán)形鏡作為腔鏡。重點介紹以二向色鏡作為腔鏡的F-P腔，二向色鏡作為腔鏡是最容易實現(xiàn)的一種F-P腔，它是通過在增益PCF的兩端配置二向色鏡來構(gòu)成諧振腔。其中位于泵浦注入端的二色鏡，對泵浦光高透射而對激光高反射;位于輸出端的二色鏡，對泵浦光高反射而對激光有適當(dāng)?shù)耐高^率。采用二色鏡作為腔鏡在技術(shù)上容易實現(xiàn)4.2泵浦耦合方式

包層泵浦摻Y(jié)b3+雙包層光子晶體光纖激光器的泵浦源通常為帶有輸出尾纖的大功率半導(dǎo)體激光器(LD)或LD陣列。泵浦源與雙包層光纖之間有多種的藕合方式，可以分為兩大類:一類是端面泵浦;另一類是側(cè)面泵浦。雙包層光纖激光器最簡單和有效的泵浦禍合方式為端面泵浦。

光子晶體光纖的問題：

（1）多孔的光子晶體光纖端面的拋光、清潔問題。因為抽運光聚焦于端面及以端面作為輸出腔鏡，對光纖端面加工質(zhì)量要求較高，而多孔的光子晶體端面無法直接清潔、拋光，任何一點缺陷或者碎片都容易使端面被大功率激光燒壞。而光子晶體的端面密封技術(shù)主要由世界上少數(shù)幾家PCF生產(chǎn)廠商掌握，沒有技術(shù)工藝方面的公開報道。（2）光子晶體光纖熔接問題。光子晶體低損耗熔接非常重要，它是光子晶體獲得各種實際應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。在光子晶體熔接過程中，空氣孔的塌陷變形是影響熔接的最關(guān)鍵問題。（3）光子晶體光纖理論分析問題。光子晶體光纖的理論設(shè)計方法中，較為精確的理論所需的計算工作量太大。（4）光子晶體光纖加工制作問題。由于光子晶體光纖激光器件的尺寸很小，電極接觸的面積也會相應(yīng)地減小，從而引起串聯(lián)電阻的增加，導(dǎo)致一些熱問題。而且光子晶體光纖加工制作也是一個難題。五、光子晶體激光器面臨的問題F-P腔的設(shè)計問題：

現(xiàn)在大部分光子晶體光纖激光器都使用二色鏡做鏡腔。但二色鏡不能精確選擇激光器的輸出波長，使得激光器的單色性差，而且不利于激光器的集成化、小型化。使用鍍膜二色鏡提供反饋，聚焦后的抽運功率密度以及產(chǎn)生的激光功率密度極高，極易把鍍膜打壞。雖然采用分布式光纖布拉格光柵(DBG)提供激光反饋，具有反饋效率高(可達(dá)100%)、輸出譜線窄、中心反射波長可以精確控制、反射帶寬可以任意選擇以及易于集成等優(yōu)點，但此方法通用性差，尚不成熟。

耦合系統(tǒng)的設(shè)計問題：

與常規(guī)光纖激光器相比，光子晶體激光器的抽運技術(shù)相對落后，目前基本上以透鏡聚焦、端面耦合方法為主，不利于激光器集成化，無法使用多個LD同時抽運，而且實驗系統(tǒng)調(diào)整精度要求很高，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于更大功率的光纖激光器，最有發(fā)展?jié)摿Φ鸟詈霞夹g(shù)是采用樹枝狀結(jié)構(gòu)，多個帶尾纖大功率多模LD抽運源，通過尾纖與樹枝狀結(jié)構(gòu)分別相連，然后通過多模耦合器傳輸抽運光進(jìn)入光子晶體。