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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(PhotonicCrystalFiber,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-CladFiber,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(photoniccrystalfiber,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(EndlesslySingleMode)”,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(1argemodearea,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