（光学专业论文）掺镱双包层光子晶体光纤激光器件的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，在各种各样的光纤中，光子晶体光纤( p c f ) 因其特殊的波导结构 而具有独特的光学特性和重用的应用价值，也因此受到广泛关注。基于光子晶 体光纤的高性能光纤有源器件成为近年来国际上的一个研究热点。根据国内外 在光子晶体光纤有源器件方面的研究进展情况，充分利用实验室现有条件，本 文在以掺镱光子晶体光纤为增益介质的连续多波长输出光纤激光器、高功率光 纤放大器以及脉冲输出光纤激光器等方面进行了一系列系统的研究，主要研究 内容包括： 1 高功率多波长输出掺镱光子晶体光纤激光器的研究 根据多光束干涉原理，研究了f p 腔滤波器的机理和滤波特性，简单阐述了 光纤激光器获得多波长输出的常用方法、机理以及各自的优缺点，为实验研究 提供理论指导；利用从c r y s t a lf i b e r a s 公司购买的掺镱大模面积p c f 作为增益 介质，光纤端面和对信号激光高反的二色镜构成f p 腔滤波器选频，实现多波长 激光输出；研究了不同入射角度时对激光器输出波长的影响。其中，在小角度 倾斜入射f p i 时激光器输出波长数目最多为四个，功率6 7 2m w ，信噪比超过 3 0 d b ；而在垂直入射f p i 时，得到最多输出波长数目为十一个，功率4 2 9m w ， 激光器在七波长输出时得到最大输出功率1 8 9w ，斜率效率3 7 4 6 ，但在1 0 5 2 - 1 0 7 2n n l 之间存在潜在振荡波长的缺失；而且在多波长输出时波长间隔并不相 等，与理论计算相一致。 采用透镜空间耦合的方式构建了新型的环形腔掺镱光子晶体光纤激光器， 在腔中未插入选频元件的情况下，研究了泵浦光反馈强弱对激光器输出特性的 影响。依靠激光腔本身的选频机理实验获得了最多六波长激光输出，最高输出 功率1 8 1 7 w ，斜率效率3 4 8 5 。 2 高功率掺镱光子晶体光纤放大器的实验研究 根据增益光纤的特性，利用普通掺镱单模光纤、光纤光栅和小功率l d 研制 了低功率输出掺镱光纤激光器作为放大器的种子光源，输出波长分别为 1 0 4 0 5 n m 和1 0 5 7 8 n m ，对应的最大功率为8 8 1 m w 、7 7 m w 。然后利用掺镱y b 大模面积p c f 为增益介质，高功率l d 为泵浦源( 中心波长9 7 6 n m ) ，构建了反 摘要 向泵浦掺y b 光子晶体光纤放大器，对两种不同波长的种子光源放大器的输出特 性进行了对比研究。在种子光波长为1 0 4 0 5 n m 时获得了最大1 0 8 3 w 的放大激 光输出，增益超过1 8 d b ，光光转换效率1 2 8 ，输出激光有较高的偏振度，偏 振消光比达8 4 d b ；更换种子光波长为1 0 5 7 8 n m 时，放大器输出特性优于波长 1 0 4 0 5 n m 的。实验获得最大1 5 2 2 w 的放大激光输出，光光转换效率2 4 2 ，增 益大于2 4 d b ，且放大激光的信噪比劣化很小，噪声指数小于l d b 。 3 高峰值功率调q 脉冲输出掺镱光子晶体光纤激光器的实验研究 利用声光调制器( a o m ) 作为q 调制器件进行了调q 脉冲输出掺镱p c f l 的实验研究，重点研究了两种不同输出方式对激光脉冲宽度及峰值功率的影响。 在后向输出结构中，得到最窄脉冲宽度1 3 0 n s ，峰值功率0 3 1 k w ，而前向输出结 构中最窄脉冲宽度1 8 0 n s ，峰值功率0 4 4 k w ，从实验上对y o n g w a n g 等人的理论 计算进行了验证。 用闪耀光栅代替其中的一个全反镜做为腔镜，构建了宽调谐范围输出调q 掺镱p c f l ，研究了在各个调谐波长时激光器输出特性。在后向调谐输出结构中， 调谐范围从1 0 4 0 3 1 0 7 3 5 n m ，宽度达3 3 2 n m ，脉冲宽度小于8 0 0 n s ，最窄脉宽 2 2 0 n s ，峰值功率0 4 k w ；在前向输出结构中，得到最窄脉宽3 2 0 n s ，峰值功率 0 0 8 】k w 。 关键词：掺镱光子晶体光纤，多波长，光纤放大器，调q a b s t r a c t a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) a t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s a m o n ga l lk i n d so ff i b e r s ，b e c a u s eo fi t ss u p e ro p t i c a lp r o p e r t ya n dv e r yi m p o r t a n t a p p l i c a t i o nv a l u e ，w h i c ha r ed u r i n gt oi t ss p e c i a lw a v e g u i d es t r u c t u r e t h er e s e a r c h o nh i g hp e r f o r m a n c ef i b e ra c t i v ed e v i c e sb a s e do np c fh a st a k e no n an e w i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hu p s u r g ei nr e c e n ty e a r s m a k i n gf u l l yu s eo fo u rl a b sc o n d i t i o n , as e r i e so f r e s e a r c h ，i n c l u d i n gm u l t i w a v e l e n g t ho u t p u tf i b e rl a s e r s 、h i 曲p o w e rf i b e r a m p l i f i e r sa n dp u l s e do u t p u tf i b e rl a s e r s ，h a v eb e e nd o n es u c c e s s f u l l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h er e c e n t l yr e s e a r c hp r o g r e s so np c fa c t i v ed e v i c e t h e d e t a i l e dd e s c r i p t i o n so f t h e ma r ea sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c ho nh i g hp o w e r m u l t i w a v e l e n g t ho u t p u ty b 3 + - d o p e dp c fl a s e r s f i r s t l y , t h ec 0 1 1 1 m o nm e t h o d s 、m e c h a n i s ma n di t so w n g o o da n db a dp o i n t sa b o u t g e t t i n gam u l t i 。w a v e l e n g t ho u t p u tf i b e r l a s e ra r ee x p a t i a t e d ah i g hp o w e r m u l t i 。w a v e l e n g t ho u t p u tp c f lw a sm a d e u s i n gt h ey b 3 + d o p e dl m ap c f , w h i c h b o u g h tf r o mc r y s t a lf i b e ra sc o m p a n ya st h eg a i nf i b e r , a n daf - pc a v i t y , w h i c h m a d eu po ft h ef i b e rf a c e ta n dad i c h r o s c o p ea saw a v e l e n g t hs e l e c t o r , a n dt h e a f f e c t i o no ft h ei n c i d e n c ea n g l et ot h el a s e rw a v e l e n g t h sw a sa l s or e s e a r c h e d d e t a i l e d l y w h e nt h el a s e ri n c i d e n c ew a sa tal i t t l et i l ta n g l e ，t h el a s e ro p e r a t e da tf o u r w a v e l e n g t h s ( t h em o s t ) a n di t so u t p u tp o w e rw a s6 7 2 m w ；w h e na tas t r a i g h ta n g l e ， e l e v e n w a v e l e n g t ho u t p u tf i b e rl a s e rw a sa c h i e v e d ，a n di t so u t p u tp o w e rw a s4 2 9 m w b u tt h eh i g h e s to u t p u tp o w e ro ft h ep c fl a s e rw a s1 8 9 w w h e nt h el a s e ro p e r a t e da t s e v e nw a v e l e n g t h s ， s l o p ee f f i c i e n c yw a s3 4 7 6 ， a n dt h ea b s e n c eo fl a s e r w a v e l e n g t h sb e t w e e n10 5 2 - 10 7 2 n mw a sf o u n d ；b e s i d e s ，t h ew a v e l e n g t hs p a c eo ft w o a d j e n c e n tl a s e rw a v e l e n g t hw a sd i f f e r e n t ，w h i c hw a sa c c o r d a n c ew i t ht h et h e o r y m o d l e t h e n ，u s i n g t h e g l a s s l e n s s p a c e c o u p l i n gm e t h o d s ，am u l t i w a v e l e n g t h n 3 + - d o p e dp c f li nar i n gc a v i t yw a sc o n s t r u c t e d ，a n dt h ea f f e c t i o no ft h ef e e db a c k o ft h ep u m p i n gp o w e rt ot h el a s e rw a v e l e n g t h sw a sr e s e a r c h e dw h e nt h e r ew a sn o i a b s t r a c t w a v e l e n g t h - s e l e c t o ri nt h ec a v i t y s i xw a v e l e n g t h so u t p u tl a s e rw a sr e a l i z e d ，a n di t s p o w e rw a s1 817 w , s l o p ee f f i c i e n c y3 4 8 5 2 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ny b 3 + 一d o p e dd o u b l e c l a d d i n gp c fa m p l i f i e r a c c o r d i n gt ot h eg a i np r o p e r t yo ft h ey b 3 + - d o p e ds i n g l em o d ef i b e r , al o w p o w e rf i b e rl a s e r , w h i c hw a sm a d eu po ff b g s 、1 5m e t e rl o n gy b 3 + 一d o p e ds i n g l e m o d ef i b e ra n do n el d ，w a sc o n s t r u c t e d t h eo u t p u tw a v e l e n g t ha n dp o w e ro fi tw e r e 10 4 0 5 n m 、8 8 1 m w , a n d10 5 7 8 n m 、7 7 m w u s i n gl m ay b 3 + 一d o p e dp c fa st h eg a i nf i b e ra n dh i g hp o w e rl d a st h ep u m p s o u r c e ( c e n t e rw a v e l e n g t h9 7 5 n m ) ，ah i g hp o w e ro u t p u tp c fa m p l i f i e rw a sm a d e ， a n di t s o u t p u tp e r f o r m a n c ew a sr e s e a r c h e dd e t a i l e d l y l l e n t h es e e dl a s e r w a v e l e n g t hw a s10 4 0 5 r i m ，t h eh i g h e s to u t p u tp o w e ro ft h ep c fa m p l i f i e r w a s 1 0 8 3 w ；s m a l ls i g n a lg a i nu pt o 18 d ba n dt h eo p t i c a lt o o p t i c a lt r a n s f o r m i n g e f f i c i e n c yw a s12 8 t h ep o l a r i z a t i o np r o p e r t yo ft h el a s e rw a sa l s oi n v e s t i g a t e d ， a n di t se x t i n c t i o nr a t i ou pt o8 4 d b ；t h e nc h a n g et h es e e dw a v e l e n g t ht o1 0 5 7 8 n m ， 1 5 2 2 wa m p l i f i e do u t p u tw a sg o t t e n , a n dt h es m a l ls i g n a lg a i nw a sm o r et h a n 2 4 d b b e s i d e s i t so p t i c a lt oo p t i c a lt r a n s f o r m i n ge f f i c i e n c yw a su pt o2 4 2 ，a n d n o i s ef i g u r ew a sl o w e rt h a nld b 3 t h ee x p e r e i m e n t a lr e s e a r c ho nq - s w i t c h e dp u l s e do u t p u ty b 3 + - d o p e dp c fl a s e r b yu s i n go ft h ea o m a sq s w i t c h e dd e v i c e ，ap u l s e do u t p u ty b 3 + - d o p e dp c f l w a sc o n s t r u c t e d i nt h eb a c k w a r do u t p u tc o n f i g u r a t i o n , t h en a r r o w e s to u t p u tp u l s e w i d t hw a s13 0 n s ，p e a kp o w e r0 3l k w ；a n di nf o r w a r do u t p u tc o n f i g u r a t i o n ，t h ep u l s e b e c a m ew i d e ra n dh a daw i d t ho f18 0 n s ，p e a kp o w e r0 4 4 k w t h e n ，o n eo ft h ec a v i t ym i r r o rw a sr e p l a c e db yab l a z e dg r a t i n g ，b yc h a n g i n gt h e r e f l e c ta n g l eo fg r a t i n g ，at u n a b l ep u l s e do u t p u ty b 3 + 一d o p e dp c f lw a sg o t t e n i nt h e t w oo u t p u tc o n f i g u r a t i o n s ，t h et u n a b l er a n g e sw e r e3 3 2 n ma n d31 4 n m ，a n dt h e n a r r o w e s to u t p u tp u l s ef r o mt h eb a c k w a r dc o n f i g u r a t i o nw a s2 2 0 n s ，p e a kp o w e r 0 4 k w a n di nt h ef o r w a r dc o n f i g u r a t i o n ，t h eo u t p u tp u l s ew i d t hw a s3 2 0 n s ，p e a k p o w e r0 0 8 7 k w k e yw o r d s ：y b 3 + - d o p e dp c f , m u l t i w a v e l e n g t h ，f i b e ra m p l i f i e r s ，q - s w i t c h e d i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：步保 妒。c 年s 月卫( ) e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：璜保 v q 年冬月 第一章绪论 第一章绪论 随着人类社会的快速发展，人们对信息的需求量也与日俱增，希望在最短 的时间内获取尽可能多的信息，而传统的电磁通信方式已不能满足人们的需要。 以光波为载体的光纤通信技术凭借其巨大的通信带宽和优异的传输性能在通信 领域的重要性日益显现，特别是在长距离大容量通信中已经占据了不可替代的 位置。作为光纤通信系统中最基本的传输媒质的光纤及其相关的光子器件也在 不断推陈出新，如单包层光纤、双包层光纤【1 1 、光子晶体光纤f 2 1 又称微结构光纤 及掺铒光纤放大器( e d f i a ) 、波分复用器( w d m ) 、光子晶体光纤滤波器、光 交叉连接器( o x c ) 3 1 等。 光子晶体光纤( p c f ) 以其具有的独特性能和重要应用价值引起越来越广泛 的关注，成为近年来兴起的一个新的研究领域。基于光子晶体光纤的光有源和 无源器件的研究也取得了很大的进展。于此同时，有关光子晶体光纤的理论研 究、制造技术及应用研究等方面也都不断取得新的突破和进展。 1 1 1 光子晶体简介 第一节光子晶体光纤概览 最早在1 9 8 7 年，美国贝尔通讯研究中心的物理学家e y a b l o n o v i t c h 4 】和加拿 大物理学家s j o h n 习都在p h y s r e v l e t t 上独立提出了介电常数做周期性变化的结 构能够影响材料中光子的状态模式，由此可以设计出能影响光子能带性质的材 料，光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 的概念也由此诞生光子晶体的概念一经提出， 立刻引起了人们的广泛关注，在1 9 9 9 年1 2 月1 7 日被美国( ( s c i e n c e ) ) 杂志列为 十大科学进展之一，对光子晶体及其相关的研究和应用也由此展开。 在半导体材料中，电子受到晶格的周期性势场作用，电子的色散关系呈带 状分布，即电子能带结构，带与带之间存在着带隙。如果电子波的能量落在带 隙内，传播是禁止的。与半导体材料类似，光子晶体中，介质材料折射率的周 期性变化也具有光子能带结构，带与带之间也存在带隙，又称光子禁带( p h o t o n i e b a n dg a p ) ，他们控制着光波在光子晶体中的传播。频率落在带隙中的光波是不能 第一章绪论 在光于晶体中传播的。当在光子晶体中引入缺陷，破坏了其周期性结构，光子 带隙就形成了有一定频率宽度的缺陷区，那么与缺陷忐频率对应的光可以在其 中传播，而其他频率的光被禁止传播。 光子晶体材料是一种介电常数随空间周期分布的介质，根据周期结构维度 不同，分为一维、二维、三维光于晶体，如图1 1 1 所示： 掌濂藏， 例11i 光于晶体的三种结构 自光子晶体的概念提出后，人们对其进行的理论和实验研究就没有停止过。 但在自然界中早就存在天然的光子晶体结构，如产自澳大利亚的蛋白石、蝴蝶 翅膀等都具有周期性结构如图1 1 2 t 61 所示。蛋白石是由二氧化硅纳米球堆 积而成，它的色彩与色素无关，而是由于其几何结构的周期性形成光子能带， 不同位置的能隙反射不同的光；同样，蝴蝶翅膀上的鳞片也具有光子晶体结构， 能选择性反射日光形成了它斑斓的色彩。 囤1i2 蛋白石和蝴蝶翅膀及其具有的光子晶体结构 直到1 9 9 1 年，y a b l o n o v i t e 制造出第一个三维光子晶体。v b e r g e r 在1 9 9 8 年提出非线性光子晶体1 8 j 。此后，随着理论研究的深入和完善以及制作工艺的提 高，科研人员不断制造出各种基于光子晶体的新器件如光子晶体全反镜、光子 晶体天线、高效激光二极彗i 、光子晶体光纤m l 、窄带滤波器l 、光子晶体波 导”4 培等，光子晶体及其相关器件的应用领域不断扩大，更好的满足了人们的需 要。 第一章绪论 1 1 2 光子晶体光纤 光子晶体光纤( p h o t o n i ec r y s t a lf i b e r , p c f ) 的概念最早由英国b a t h 大学 r j r u s s e l l 领导的研究小组于1 9 9 2 年提出。作为二维的光子晶体，它是由在横 截面内介电常数随空间周期性变化的光学微结构材料沿纵向均匀排列构成的， 因此又被称为微结构光纤( m i c r o s t r u c t u r ef i b e r , m f ) 或者多孔光纤( h o l e y f i b e r , h f ) 。通常的p c f 是带有线缺陷的二维光子晶体，它以纯石英、塑料等电 介质材料为基质，波长量级周期性排列的毛细管为包层，这些细管形成的空气 孔沿光纤长度方向不变，在光纤中心引入缺陷，可以是一个与包层结构不同的 空气孔或者其他介质材料形成纤芯，光通过改进的全内反射或者光子带隙效应 被约束在纤芯中传导。与传统光纤相比，光子晶体光纤通过改变空气孔的排列 和大小就可以控制其光学特性，故在设计方面更具灵活性，人们可以根据不同 的需要设计出各种特殊的光纤，这使得其应用范围不断扩大，成为近年来光纤 光学研究领域的一个新亮点。 根据导光原理的不同，p c f 可以分为两类：( 1 ) 折射率引导型p c f 。如图 1 3 ( a ) 所示。此类光纤的导光机制与普通的阶跃型光纤类似，纤芯为实芯可以是 掺杂的或者未掺杂的石英，它与包层区域存在有效折射率差，引起全内反射， 从而将光约束在纤芯中传播。该类型光纤对光的约束可以理解为与常规光纤相 类似的改进的全内反射原理，因此折射率引导型p c f 又被称为改进的全内反射 光纤，其导光原理如图1 3 ( b ) 所示。( 2 ) 光子带隙型p c f ( p b g p c f ) ，如图1 4 ( a ) 所示。纤芯为空气孔，其折射率低于包层的有效折射率，因此不能通过全内反 射机制导光。它是利用周期性包层结构出现的光子带隙效应把频率位于带隙内 的光限制在纤芯中传播的，因而，此类p c f 对传输的光波有很高的要求，只有 频率落在带隙内的光波才能被传输，其他的光波都从包层泄漏掉了，其导光原 理如图1 4 ( b ) 所示： 3 第一章绪论 图13 折射率引导型p c f 及其导光原理图 圈14 光子带隙型盹f 及其导光原理图 光子晶体光纤独特的结构使其具有许多不同于传统光纤的优良特性，主要 表现在以下几个方面： ( 1 ) 无截止单模特性 对于标准阶跃光纤常用归一化频率p 来衡量光纤中导模的数目，其表达 式如下i ： 矿= ( 2 即肛) ( 一) 2 1 1 ) 式中h 渺”d 分别光纤纤芯和包层的折射率，口为纤芯直径，九是波长。当 24 0 5 时光纤维持单模由于在普通光纤中n 附只与材料的色散有关，随波长变化较 小，v 值近似与波长成反比，因此存在一个极限波长值，当波长小于此极值时， r 值大于24 0 5 ，光纤呈现多模传输。 而对于光子晶体光纤，其单模条件可由下式表示”6 1 ： 4 第一章绪论 = 孚( 一n c z o 矗c 1 ) “2 万 = 了卅) s 万 ( 1 2 ) 式中人为纤芯直径，咒，咒c ，分别为纤芯和包层的有效折射率，形式与普通光 纤类似。其中，包层的有效折射率是光辐射波长的函数，当光波长变短时，光 束截面随之收缩，光波的场能量向纤芯集中，包层的有效折射率随之增大，从 而纤芯和包层的有效折射率差也相对减小，使得v 趋于一个常数，满足了单模 传输条件。数值计算和实验证明，当空气孔直径与空气孔间距( 占空比) 之比 小于0 4 5 时【1 7 1 ，有效归一化频率始终小于多模的临界值，所对应的光子晶体光 纤就具有无截止单模传导特性。而且这种单模特性与光纤的绝对尺寸无关，只 取决于光纤的相对尺寸。因此，通过合理调整占空比就可以设计出大模面积单 模光子晶体光纤，有效降低纤芯的光功率密度，提高了光纤的非线性阈值，这 在获得高功率连续及脉冲输出光纤激光器和放大器方面有重要作用。 目前，已报道的光子晶体光纤在3 3 7n m 到15 5 0n n l 波长范围内都是可以实 现单模传输【1 9 】。除了波长扩展外，模场面积也大幅度的提高，从几十岬2 到数千 g m 2 。通常，人们主要采用两种方法增大模场面积：一是增加纤芯的直径，已报 道的单个纤芯直径可以达到6 0 t m t l 9 1 ，模场面积；二是，采用多芯结构，这方面 也取得了很大的成就。如2 0 0 3 年l i m p e r t 等报道了一种双包层大模面积p c f ， 设计波长1 0 6 0 n t o ，m f d 2 2 1 a m t 2 0 1 。到了2 0 0 4 年他们又将纤芯数目增加到7 个， m f d 4 5 9 m t 2 1 1 ，仍可以保持单模传输；2 0 0 6 年，他们更是将纤芯个数提高到1 9 爪【2 2 1 ，m f d 直径近5 0 岬，对应模场面积约2 0 0 0 p m 2 ；另外他们还设计了纤芯无 掺杂l m a p c f ，纤芯直径达l0 0 1 t m ，模场面积约4 5 0 0 t m 2 。 ( 2 ) 色散特性 在大容量长距离光纤通信中，光纤的色散对传输信号的质量影响很大，因 此，对光纤进行色散控制尤为重要。在普通光纤中，色散主要由石英的材料色 散决定，通常只在1 3 0 0 n m 以上的波长区域才能出现反常色散，这样造成用于光 纤通信的传输带宽很窄。p c f 具有奇异的色散特性，它的色散主要由波导色散 决定的，通过改变光子晶体光纤的结构参数就可以在非常大的范围内取得很大 的色散，将p c f 的反常色散区域从红外波段推广到可见光波段，实现 5 0 0 n m 1 3 0 0 n m 的零色散运转【2 3 】。利用这一特性可以更宽带光纤通信中进行色散 补偿，同时，色散效应在许多非线性领域也有重要应用，如孤子激光器、参量 5 第一章绪论 放大器、产生超连续谱以及超短脉冲压缩等非线性光学领域i “l 。 ( 3 ) 双折射特性 在理想的轴对称光纤中，传输光波的两个正交模式是简并的，因而偏振态 不会随传播距离发生变化。但在实际制作光纤的过程中，不可避免的会引入一 些缺陷如空气孔变形、错位、塌缩等，这样光纤的结构对称性被破坏，产生了 取折射。目前，科研人员主要通过增大尺度因子和减小空气孔尺寸来降低双折 射的8 ”。反之，为了保持原有光波的偏振态不变，可以人为的引入高双折射，制 成保偏光纤。通常采用改变纤芯的形状或者包层空气孔的排列和形状来实现， 常见的高双折射光子晶体光纤端面如图1 5 所示。高双折射光纤中保偏通信、 光纤传感等方面有重要应用。 图i5 高双折射光子晶体光纤端面 ( 4 ) 非线性特性 如特性1 所述，可以通过增大纤芯直径和采用多芯光纤来增大模场面积， 有效降低单位面积上的光功率密度，减小非线性效应，同时保持较好的光束质 量。利用此特性可以制成各种高功率光子晶体光纤激光器件，他们在医疗、通 信、军事、科研以及工业生产等行业发挥重要作用。反之利用其结构设计的 灵活性可以通过减小纤芯直径缩小模场面积提高功率密度，增大非线性系数 制成高非线性光子晶体光纤，如图1 6 所示，使其在较小的功率下产生强的非 线性效应如布里渊散射、拉曼散射、四波混频、自相位调制等，利用此特性制 成的相关光纤器件也有问世。 第一章绪论 一 图i _ 6 高非线性光子晶体光纤端面 第二节包层泵浦光纤有源器件的研究进展 从上世纪八十年代中期开发出掺稀土离子单模光纤制造技术以来，在有源 光纤器件方面的研究取得了巨大的进展，研制成功了各种光纤有源器件如光纤 激光器、放大器等。其中，光纤激光器以其低阈值、高效率、窄线宽、可调谐 和高性能价格比等优点倍受人们的关注。以掺铒光纤激光器发展最快，并已开 始实用化，为光通信等高新技术领域的发展注入了活力。但由于受到非线性效 应和光纤本身承受能力的限制，激光器输出的功率较小，因而其在医学、航天 航空、材料加工等需要高平均功率输出或高脉冲能量的应用方面受到很大的限 制。 二十世纪九十年代发展起来的包层泵浦技术以及双包层大模面积光纤的研 制成功，克服了普通单模光纤的缺陷，使泵浦光的耦合效率和激光器、放大器 的输出功率有了太幅度的提高。连续激光输出功率达到千瓦量级 2 1 l ，脉冲输出的 峰值功率达到了m 瓦量级”q ，这种高功率、高能量包层泵浦光纤激光器在光通 信、光传感、航天航空、生命科学、精密仪器加工等领域应用非常广泛。 21 包层泵浦光纤激光器的研究进展 1211 双包层光纤激光器 1 9 8 8 年，美国宝丽来公司s n i t z e r 等人跚提出了包层泵浦技术，大大提高了掺 稀土离子光纤激光器的输出功率。在众多的掺杂离子中，镱离子亚稳态寿命长， 而且不存在激发态吸收，高掺杂浓度_ 卜不会出现浓度淬灭效应，另外还有较高 的量子效率，因此可以用高掺杂短长度光纤获得高功率的激光输出。最早在1 9 9 4 年，由hmp a s k 等人首先实现了掺y b 3 + 石英光纤包层泵浦光纤激光器，实 第一章绪论 验获得波长为1 0 4 0 r i m 、o 5 w 的最大激光输出，斜率效率达到8 0 t 2 7 1 i 到了1 9 9 9 年，功率已经提高到百瓦量级，vd o m i n i c 等人用四个4 5 w 的半导体激光二 极管阵列组为泵浦源，采用职端泵浦的方式，研制成功了在波长1 1 2 0 r i m 输出功 率达1 1 0 w 掺镱双包层光纤激光器m 】：随着泵浦耦合技术和双包层光纤制作技 术的进步，光纤激光器的功率更是有巨大的提高。2 0 0 4 年，英国南安普敦大学 的n i l s s o n 等科研人员采用双端泵浦结构研制成了输出功率达1 3 6 k w 的掺镱双 包层光纤激光器，斜率效率8 3 。除了科研院所，各大激光器制作公司也都研 发成功了超高功率的光纤激光器，如美国的i p g 公司可以生产从一千瓦到五万 瓦的光纤激光器，广泛用于切割、加工、焊接、掘凝土钻孔等方面，发展步伐 如图17 所示。 图17 美国i p c 公司高功率光纤激光器集锦 与普通双包层光纤相比，光子晶体光纤的设计更加灵活，可以采用大数值 孔径内包层结构以提高泵浦光的耦合和吸收效率，大模场面积有效减小非线性 效应，同时仍能保持高功率单模输出；玻璃基质，耐高温，因此可以用来制作 高质量高性能的有源光纤器件。第一台光子晶体光纤激光器问世于2 0 0 0 年， w jw a d s w o r t h 等人采用钛宝石激光器泵浦长8 1 r r a n 的掺镱p c f ，在泵浦功率 3 3 0 r o w 时，实验获得了波长1 0 4 0 r t m 、2 2 7 m w 的激光输出，从此对p c f l 的研 究进入了快速发展阶段。2 0 0 3 年，德国l i m p e r t 等人采用2 3 m 长空气包层l m a 掺镱p c f 实现了8 0 w 单模激光输出，斜率效率7 8 ，激光波长1 0 7 0 n m t ”j 。同 年，他们采用4 m 长p c f ，实现2 6 0 w 激光输出，斜率效率7 3 t 3 i ；2 0 0 5 年，a 第一章绪论 t u r m e r m a n n 等实现了15 3 k w 激光输出0 2 i ；到了2 0 0 7 年，s c h r e i b e r 等采用双端 泵浦实现了2 5 3 k w 的激光输出。目前，商品化的高功率光子晶体光纤激光器 也已问世。c r y s t a l f i b r e 公司a e r o l a s e 一3 5 0 是一款高功率的光纤激光器模块晟 大输出功率达到3 5 0 w ，如图18 所示。随着激光技术的发展将会有更高功率 的激光产品出现，性能也会进一步提高。 圈l8 商品化3 5 0 w 激光模块 在国内方面，2 0 0 4 年深圳大学阮双琛等采用大功率9 7 2 n m 半导体激光器泵 浦2 0 m 掺镱双包层p c f i ”i ，实验采用f - p 腔结构，获得了波长1 0 9 0 h m 、22 w 的激光输出：同年，他们又将输出功率提高到1 5 w t 姗。2 0 0 5 年，南开大学的张 炜等采用5 m 长掺镱大模面积p c f 获得了波长1 0 6 87 r i m 、4 2 6 w 的激光输出i ”1 i 同年，西安光机所在第1 7 届激光会议上报道了输出功率达到9 8 w 的光子晶体光 纤激光器 3 9 l ；2 0 0 8 年，西安光机所段凯亮等报道了最大连续输出功率为9 58 w ，耦合效率为9 02 的激光输出。此外，北京邮电大学、天津大学、燕山大学 等高校和科研院所也在进行有关光子晶体光纤激光器件方面的研究。本实验室 在国家自然科学基金项目的资助下r 也在进行光子晶体光纤有源器件方面的研 究，且取得了一定的研究成果。 121 2 多波长光纤激光器研究进展 随着d w d m 技术和全光网络通讯的发展，信息量越来越大，信道数目也越 来越多，这就需要更多波长的激光器光源。如果只靠增加激光器的数目来增加 信道，势必会增加系统的成本和复杂性，降低稳定性增加了维护管理的难度。 9 第一章绪论 而多波长输出的光纤激光器具有结构简单、与光纤系统兼容、波长选择容易等 优点，成为近年来人们研究的热点，并取得了丰硕的成果。目前，获得多波长 激光的方法主要有以下几种：一是在激光腔中加入滤波选频元件，如f p 标准具， 梳状滤波器等，二是利用选择性反馈器件，如级联光栅，三是利用各种非线性 效应，如拉曼散射、布里渊散射等，还有采用与偏振有关光纤干涉技术来实现 多波长输出。 在1 9 9 2 年，美国的n p a r k 等首次实现了基于单一增益介质的6 个波长的 掺铒光纤激光输出，波长间隔为4 8 n m t 4 0 ，拉开多波长光纤激光器研究的序幕； 2 0 0 1 年，韩国的s k k i m 等人采用在环形腔中加入梳状滤波器和频移器的方法 【4 l 】，获得了3 4 波长激光输出；2 0 0 2 年q i n g h em a o 等人采用级联光纤光栅作为 选频元件，实现了三波长可调谐掺铒光纤激光输出【4 2 】；2 0 0 4 年，x i n h u a nf e n g 等人采用多模光纤光栅选频构建了线形腔掺镱光纤激光器，获得了可调谐双波 长激光输出，波长间距0 9 衄【4 3 】；同年，g a u t a md a s 等利用s a g n a c 干涉环作为 反射腔镜实现了多波长调谐激光输出m 1 ；2 0 0 6 年，l z h a n 等采用如图1 9 所示 的结构，利用掺铒光纤的自激布里渊振荡产生了多达1 6 0 个波长的斯托克斯光 【4 5 】；2 0 0 7 年l a w r e n c er c h e n l 等人利用四波混频效应获得了双波长掺镱光纤激 光输出，激光信噪比大于5 5 d b t 蛔；同年，s h e n g g u if u , 等利用掺镱双包层光纤和 多模光纤光栅实现了多波长可调谐激光输出，边模抑制比大于3 0 d b t 4 7 1 ；2 0 0 8 年 t h iv a n 等将多模光纤光栅和光纤环形镜结合起来进行选频，采用“8 ”型腔结构 实现了多波长可调谐输出，波长间隔o 8 n m ，消光比大于6 0 d b ，纵模平坦度 0 5 d b 4 8 。 图1 9s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es e l s e e d e dl i n e a rc a v i t yb f i l l o u i n e r b i u mf i b e r l a s e r 1 0 第一章绪论 国内方面对多波长光纤激光器也进行大量的研究，取得了一定的研究成果。 2 0 0 0 年，孙军强等采用在在两段单模光纤中间熔接一段少模或多模光纤的方法， 在室温下得到了线宽为0 0 9 n m ，波长间隔0 6 8 n m 的双波长或三波长激光输出t 4 9 3 。 2 0 0 1 年北方交通大学的张劲松等人采用口形腔结构【5 0 】，利用多反射峰光栅选频， 实验得到了4 波长和8 波长激光输出，波长间隔1 6 或o 8 n m ，线宽0 0 1 n m ；2 0 0 4 年南开大学项阳等人利用双包层掺镱光纤的端面和对1 0 6 0 n m 波长透过率为7 7 的二色镜构成f p 腔滤波器作为激光器端镜，获得了四波长激光输出，激光线宽 0 3 3 n m ，信噪比超过2 0 d b t 5 1 】；2 0 0 7 年，上海交通大学的李抒乐等实现了一种基 于半导体光放大器的新型多波长光纤激光器【5 2 1 。它利用( l y o t s a g n a c ) 立奥萨尼 亚克滤波器的波长选择性，在室温下得到了约1 8 个具有3 0d b 信噪比的多波长 激光输出，波长范围1 5 5 6 - - - 1 5 7 7n l l l ，间隔0 4 n m 符合国际电信联盟的标准；2 0 0 8 年张祖兴等人利用非线性偏振旋转效应构建了环形腔掺铒激光器，实验获得了 1 8 波长激光输出【5 3 1 。本实验室利用掺镱光子晶体光纤构建了多种结构的多波长光 纤激光器，获得最多1 1 波长的激光输出。 1 2 1 3 脉冲输出光纤激光器研究进展 高能量、高峰值功率脉冲激光在工业加工、军事、医疗、测距、生物等领 域都有重要应用。而采用包层泵浦技术的光纤激光器由于其结构紧凑、耦合效 率高、可靠性好、比传统的固体激光器光束质量好等优点成为人们研究的热点。 目前，利用掺稀土离子光纤作为增益介质获得高能量激光脉冲输出主要采用调q 技术，即在激光腔中加入电光调制器( e o m ) 【5 4 】、声光调制器( a o m ) 5 5 】、可 饱和吸收体 5 6 】等调q 元件实现短脉冲激光输