（光学工程专业论文）全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的研究.pdf

中文摘要 本论文详细阐述了光子晶体光纤的传输特性，并对其可控色散特性、非线性 特性、带隙特性进行了理论和实验的研究。基于掺y b 3 + 单偏振双包层光子晶体光 纤搭建了全光子晶体光纤飞秒激光放大系统，系统研究了多个参数对输出的影响， 得到高重复频率，高平均功率的飞秒脉冲输出。论文的工作包括以下主要内容： 第一，利用有限元方法设计了具有特殊色散特性的孔助实芯光子晶体光纤。 通过控制纤芯空气孔的大小得到了具有两个零色散点的色散曲线，并优化了该光 纤的二阶和三阶色散，使其满足光纤展宽器的色散匹配要求。同时基于白光干涉 法搭建了色散测量系统，测量了多种光子晶体光纤的色散曲线。 第二，在非线性实验中，由于孔助实芯光子晶体光纤具有两个零色散波长， 实现了自频移孤子的稳定输出，消除了仅有一个零色散点光纤中孤子频移对入射 脉冲能量的敏感性。 第三，利用空气纤芯光子带隙光纤的低非线性和反常色散特性对光子晶体光 纤飞秒激光器输出的脉冲进行了压缩。利用全固带隙光纤和布拉格型光纤的弯曲 损耗特性制作了带通滤波器，其滤波窗口的中心波长和宽度皆可调谐。 第四，数值模拟研究了y b 3 + 光纤的增益特性，结合实验分析了放大级参数对 输出脉冲能量的影响。利用分步傅立叶方法研究了放大过程中的自相位调制效应 的影响，进一步数值模拟了非线性脉冲放大和压缩的过程，分析了三阶色散和非 线性啁啾之间的相互补偿。 第五，实验搭建了全光子晶体光纤飞秒激光放大系统，系统中的增益光纤全 部采用掺y b 3 + 单偏振双包层光子晶体光纤，利用非线性放大，得到比种子光更窄 的脉冲输出。实验中详细分析了振荡级的锁模状态、振荡级输出脉冲光谱调制、 放大级泵浦功率、放大级增益光纤长度等参数对系统输出的影响，得到了3 9f s 的 最短脉冲输出和平均功率为2 3w ，重复频率为5 0m h z ，对应单脉冲能量4 6 0r d ， 脉冲宽度为1 0 9f s 的稳定高质量脉冲输出。并以此输出为光源对光子晶体光纤飞 秒激光器在高功率非线性、高功率紫外倍频、高速飞秒激光加工等领域的应用进 行了探索。 关键词：飞秒激光光子晶体光纤光子晶体光纤飞秒激光放大系统 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e dm a i n l yi nt w op a r t s f i r s t l y , i td e m o n s t r a t e s t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e ri np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ( p c f s ) a sw e l la st h e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ec o n t r o l l a b l ed i s p e r s i o n ，n o n l i n e a r i t y , a n d p h o t o n i cb a n d g a pp r o p e r t i e si np c f s ；s e c o n d l y , i tr e p o r t st h ec o n s t r u c t i o no fa l lp c f f e m t o s e c o n dl a s e ra m p l i f i e rb a s e do ny b j + - d o p e ds i n g l e - p o l a r i z a t i o nl a r g em o d ea r e a ( l m a ) p c f s t h ei m p a c to fs y s t e mp a r a m e t e r so no u t p u ti sa n a l y z e d ，a n dt h eh i g h p o w e ru l t r a f a s tp u l s e sw i t hh i 【g hr e p e t i t i o nr a t ea r eo b t a i n e d t h ed e t a i l e dc o n t e n t sc a n b ec l a s s i f i e da sf o l l o w s ： 1 t h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea i r - h o l e a s s i s t a n ts o l i d c o r ep c fi s d e s i g n e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t w oz e r od i s p e r s i o np o i n t sa r eo b t a i n e dt h r o u g h c o n t r o l l i n gt h es i z eo ft h ea i rh o l e si nf i b e rc o r e t h ep r o p e r t i e so ft h eg r o u pv e l o c i t y d i s p e r s i o n ( g v d ) a n dt h i r d o r d e rd i s p e r s i o n ( t o d ) a r eo p t i m i z e dt of u l f i l lt h en e e do f d i s p e r s i o nm a t c hw h e na p p l y i n g t h ef i b e rt ot h ef i b e rs t r e t c h e r t h e d i s p e r s i o n m e a s u r e m e n ts y s t e mi sc o n s t r u c t e db a s e do nt h em e t h o do fw h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t r y , a n dt h ed i s p e r s i o np r o p e r t yo ft h ea i r - h o l e - a s s i s t a n ts o l i d c o r ep c fi sm e a s u r e d 2 t h es t a b l es o l i t o ns e l f - f r e q u e n c ys h i f ti so b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n tw i t ht h e h e l po f t h et w oz e r od i s p e r s i o np o i n t si na i r - h o l e - a s s i s t a n ts o l i d c o r ep c e c o m p a r e dt o t h ep c f sw i t ho n l yo n ez e r od i s p e r s i o np o i n lt h es e n s i t i v i t yo ft h es e l f - f r e q u e n c ys h i f t d e p e n d i n go ni n p u t p u l s ee n e r g yi sg r e a t l yc a n c e l e d 3 t h eo u t p u tp u l s e sf r o mp c fl a s e ra r ec o m p r e s s e db yt h ea n o m a l o u sd i s p e r s i o n p r o p e r t ya n dl o wn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co f t h ea i rc o r ep h o t o n i cb a n dg a pf i b e r t h e a c h i e v e m e n tr e a l i z e st h ep r e p a r i n gs t e pf o r t h eb a n dg a pf i b e rt ob ef u r t h e ru s e di np c f f e m t o s e c o n dc h i r pp u l s ea m p l i f i e r s au n i q u eb a n d - p a s sf i l t e ri si n v e n t e db a s e do nt h e b e n dl o s sp r o p e r t i e so ft h ea l ls o l i dp h o t o n i cb a n dg a pf i b e r sa n db r a g g - t y p ef i b e r s 4 t h eg a i nc h a r a c t e r i s t i ca n ds e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s p m 、e f f e c ti ny b 3 + - d o p e d f i b e ri nt h ea m p l i f i e ra r es t u d i e dn u m e r i c a l l y t h ec h a n g eo fo u t p u tp u l s ee n e r g yo ft h e a m p l i f i e ri s a l s oa n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo fs p mo no u t p u ti nt h ep r o c e s so f a m p l i f i c a t i o ni ss t u d i e db yu s i n gs p l i t s t e pf o u r i e rm e t h o d 1 1 1 ea m p l i f i c a t i o na n d c o m p e n s a t i o np r o c e s s e so ft h ep u l s e sa r ef u r t h e rs t u d i e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ec o m p e n s a t i o nb e t w e e nt o da n dn o n l i n e a r c h i r pi sa n a l y s e d 5 a na l lp c fl a s e r a m p l i f i e r i sc o n s t r u c t e db a s e do n y b 3 + - d o p e d s i n g l e p o l a r i z a t i o nd o u b l ec l a d d i n gl m ap c f s t oo b t a i nt h es h o r t t e rp u l s e st h a nt h e s e e dp u l s e s ，t h em e t h o do fn o n l i n e a ra m p l i f i c a t i o ni su s e d t h ed e p e n d e n c eo fo u t p u t o i lc e r t a i n p a r a m e t e r s ，e g m o d e - l o c k i n gc o n d i t i o n so ft h eo s c i l l a t o r , s p e c t r u m m o d u l a t i o no ft h eo s c i l l a t o r , p u m pp o w e ro ft h ea m p l i f i e r , a n dt h el e n g t ho ft h ea c t i v e f i b e r , e t c i ss t u d i e d f u r t h e r m o r e ，t h er e c o r do f3 9f ss h o r t e s tp u l s e si sr e a l i z e di nf i b e r l a s e rs i n g l es t a g ea m p l i f i e r h i 曲e n e r g yp u l s e sw i t h10 9f st i m ed u r a t i o n ，2 3w a v e r a g ep o w e r , a n d5 0m h zr e p e t i t i o nr a t e ( c o r r e s p o n d i n gt o4 6 0n jp u l s ee n e r g y ) a r e a l s o o b t a i n e d a p p l y i n gt h es y s t e ma s l a s e rs o u r c e ，t h er e s e a r c ho fh i g hp o w e r n o n l i n e a r o p t i c s ，h i g hp o w e rf o u r t h h a r m o n i c g e n e r a t i o n ，a n dh i g hs p e e d m i c r o m a c h i n i n ga r ef u r t h e rd e v e l o p e d k e yw o r d s ：f e m o t s e c o n dl a s e r , p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ，p c ff e m o t o s e c o n dl a s e r a m p l i f i c a t i o ns y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论支作者签名：刍l 博久 签字日期： 2 0 0 92 月1 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权墨鲞态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：刮蔼太导师签名：了刁锄j 签字日期：2 0 0 9 年2 月1 2 日签字日期：2 0 0 9 年2 月1 2 日 天津大学博士学位论文 全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的研究 1 1 飞秒激光概述 1 1 1 飞秒激光特点 第1 章绪论 从马奔跑过程中四蹄的动作顺序到电子环绕原子核运动的轨道，这些自然界 的快过程一直吸引着人类去不断追寻其中的奥妙，推动着人们寻找对快速运动的 判断和测量技术。由于人眼最快也只能分辨0 0 5 秒，只有借助工具人们才能看清 更快的变化，照相机的机械快门是普遍使用的方式，目前最快能分辨亚毫秒( 1 0 0 s ，m s ) 量级的变化；最先进的电子设备( 如电子示波器) 由于电子响应的限制最 快也只能观察到皮秒( 1 0 d 2s ，p s ) 量级的信号。为了再“快”一些，人们需要响 应速度更快的“开关 ，为此，科学家将目光投向了光脉冲。飞秒激光的出现将人 类的时间分辨率提高到了飞秒( 1 0 。1 5s ，f s ) 量级。在这个时间量级下，半导体中 载流子的弛豫过程，化学反应中的价健变化等都成为了可捕捉的信号。利用锁模 激光脉冲a h z e w a i l 研究了分子的动力学和更复杂的化学反应动力学问题，以此 获得了r 9 9 9 年的诺贝尔化学奖。至此飞秒激光技术成为了科学研究的利器，但科 学家对超快技术的探索并没有停步，以飞秒激光技术为基础的阿秒( 1 0 0 8 s ，a s ) 脉 冲更是一次新突破，目前最短脉冲已经达到8 0 阿秒【l j 。并利用阿秒光脉冲已观察 到原子中原子核的运动和重组1 2 】。 如今，对超快过程的探索已经离不开飞秒激光的参与，飞秒激光脉冲的“快 已经广泛应用，而且脉冲持续时间短衍生出的高峰值功率和宽光谱特性也已发挥 着巨大作用。由于脉冲宽度非常窄，激光器产生的较低能量的飞秒脉冲就具有兆 瓦( 1 0 6w ，m w ) 量级的峰值功率，放大后脉冲峰值功率更达到了拍瓦( 1 0 1 5w ，p w ) 量级，聚焦后其峰值功率密度可达1 0 2 1 w e r a 2 i3 1 。这样的电场强度是氢原子核束缚 核外电子的库仑场的百倍，可以产生地球上并不存在的极端物理条件。如此高峰 值功率的激光脉冲和物质相互作用将产生高次谐波、相干x 射线等极端物理过程。 根据傅立叶变换关系，极窄的脉冲对应极宽的光谱。飞秒激光的光谱可以达 到1 0 0n m 左右，甚至是一个倍频程。如此宽的光谱将包含百万个纵模，形成“频 率梳，成为光学频率标准m l 。还可以用于稳定载波电场与其包络的相位关系1 7 , 8 1 ， 该工作对高阶非线性过程如光化电离和高次谐波产生具有非常重要的意义。 以上的三个特点就决定了飞秒激光成为科学探索和技术发展的一个重要工 具，也成为科学研究中一个经久不衰的课题。 第一章绪论 1 1 2 飞秒激光的历史 1 9 6 6 年d em a r i a 等人以染料作为可饱和吸收体，在n d 玻璃激光器中首次实现 了被动调q 锁模，产生了皮秒脉冲【9 】。从此超短脉冲激光器进入了历史舞台。在上 个世纪七八十年代，主要以有机染料作为增益介质和可饱和吸收体的染料超短脉 冲激光器占据着主体地位。1 9 8 1 年f o r k 等人利用碰撞脉冲锁模原理第一次实现了 亚百飞秒的脉冲输出，这标志着飞秒激光器的诞生【l o 】。在此之后的8 0 年代，染料 锁模激光器更是不断地刷新着记录，1 9 8 7 年f o r k 又利用单模保偏石英光纤展宽脉 冲的光谱，由光栅和棱镜组补偿色散，获得了6f s 的超短脉冲输出l l l j 。这个时期 的固体激光器并没有引起太多的注意，一些关键技术的不完善阻挡了固体激光器 的发展：当时固体增益介质的上能级粒子数寿命长，腔内使用慢可饱和吸收体只 能实现调q 锁模( q s w i s h e dm o d e l o c k i n g ) ；晶体的导热性能差，需要低温冷却技 术。但相比固体激光器的优点，染料激光器本身也具有无法克服的缺陷，如增益 介质是液体，需要采用喷流方式，结构复杂，调试难度大，无法长时间稳定工作， 需要专家级的维护，限制了其应用范围。为了使飞秒激光技术真正实现实用化， 人们将目光重新投向固体激光器，开始寻找新的晶体和锁模机理。 钛宝石( t i ：s a p p h i r e ) 激光增益介质和克尔透镜锁模( k e r rl e n sm o d e l o c k i n g ， k l m ) 技术相继出现后，以钛宝石激光器为代表的固体飞秒激光器开辟了锁模激 光器的新时代。1 9 9 1 年s p e n c e 等人采用钛宝石晶体作为增益介质，以腔内棱镜对 补偿色散，仅利用钛宝石自身克尔效应产生的克尔透镜锁模机制，即获得了6 0f s 的光脉冲输出【1 2 】。从此，钛宝石飞秒激光器开始了追赶并超越染料激光器的最短 记录的步伐。2 0 0 1 年e l l 等人利用啁啾镜和棱镜对补偿色散等技术将钛宝石飞秒激 光器直接输出的最短脉冲记录缩短到了5f s 【b 】。使用复杂的腔外压缩技术，钛宝 石飞秒激光系统输出的最短脉冲为2 6f s l l 4 。由于克尔透镜锁模无法实现自启动， 19 9 2 年k e l l e r 等人设计了半导体可饱和吸收镜( s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r b e r m i r r o r s ，s e s a m ) ，它可以从噪声中提取信号实现自启动锁模1 1 5 1 ，补充k l m 的不足 1 6 1 。由于可以自由地设计s e s a m 的工作波长、调制深度、饱和通量等参数，简化 了激光器的设计。这些技术的产生，使飞秒激光器运转稳定、结构简单、维护简 便，从此飞秒激光技术进入了实用化阶段。从1 9 9 1 年第一个钛宝石锁模激光器出 现后的十几年时间里，固体飞秒激光技术取得了长足的进步并逐步取代染料锁模 激光器，占据了统治地位。 在超短脉冲激光器的发展过程中对高峰值功率的追求始终没有停止过。振荡 级输出的单脉冲能量很小，峰值功率一般仅为千瓦量级，无法满足后续实验的要 求，脉冲的放大是一个必须的过程。1 9 8 2 年f o r k 等人直接将飞秒激光脉冲通过多 天津大学博士学位论文全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的研究 个由纳秒( 10 一s ，n s ) 激光泵浦的染料盒，脉冲被放大到吉瓦( 1 0 9w ，g w ) 量级。 但是放大效率不到1 ，而且自发辐射的噪声很大，脉冲质量不蒯1 7 1 。之后人们又 不断地做出努力，但没有收到良好的效果【l8 】。这是因为直接放大本身就存在着缺 陷，当脉冲能量被放大到一定程度后，由于脉冲较窄，峰值功率很高，在增益介 质中产生非线性效应降低了脉冲的质量，而且过高的峰值功率将造成增益介质和 镀膜元件的损坏。这一技术很快就停止了发展。 为了避免高峰值功率的限制，m o u r o u 等人在1 9 8 5 年提出了啁啾脉冲放大 ( c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ，c p a ) 的方法【l 州。这个方法来源于啁啾雷达方案，先 将脉冲在时域上展宽至p s 或a s 量级，然后再进行放大，最后压缩回原时域宽度， 此方法能够得到更大的脉冲能量，更高的峰值功率，同时避免了放大过程中高峰 值功率对器件和输出质量的影响【2 0 1 。在c p a 技术提出后的很短一段时间里，脉冲 的峰值功率就上升到了太瓦( 1 0 1 2w ，t w ) 量级【2 1 1 。钛宝石飞秒激光器出现后， 为c p a 系统提供了更稳定、光束质量更好的种子源。基于c p a 技术的脉冲放大器 得到了井喷式的发展，峰值功率和单脉冲能量迅速提高 2 2 - 2 4 1 ，脉冲峰值功率更是 发展到了拍瓦( 1 0 1 5w ，p w ) 量级1 2 5 1 ，单脉冲能量达到了几百焦耳。我国也在上 个世纪9 0 年代开展t t i ：s a p p h i r e 飞秒激光器和放大器的研究。天津大学王清月教 授领导的课题组在1 9 9 2 年开发了国内第一台钛宝石飞秒激光器【2 州，并在1 9 9 6 年 建立了t w 级的钛宝石飞秒激光放大系统【2 丌，得到了3 8f s 、1 6t w 的输出【2 引。目 前国内最高峰值功率的c p a 系统达到t p w 量级【2 9 】，这一记录由中国科学院上海光 学精密机械研究所保持。 当超短脉冲激光技术发展到一定程度后，又遇到了瓶颈，随着输出脉冲能量、 平均功率的增加，增益晶体的熟效应已经不能忽略，影响激光器的稳定输出。人 们开始寻找不同的解决方案。一种方案是将增益介质在横向上拓展，截面积很大， 纵向上很薄，就是现在的薄片激光器1 3 0 j ，这种增益介质表面积与体积比增大，散 热很好，可以支持很高功率的脉冲输出和单脉冲能量。目前保偏锁模激光器的输 出功率已经达到8 0w t 3 1 3 3 1 ，单脉冲能量已经达到1 0 心【弭3 6 1 。另一种方案是将增 益介质在纵向上拓展，也就是现在的增益光纤，其表面积一增益介质体积比很大， 具有很好的散热性能，几乎无需冷却1 3 列。以上两个方案从提出后都得到长足的进 步，尤其是光纤激光器不但发展历史长，而且已经开始应用在加工、医疗、通讯 等领域，得到了广泛的关注。 第一章绪论 1 2 光纤飞秒激光器概述 1 2 1 光纤飞秒激光器的特点 在上一节中提到了以掺杂光纤作为增益介质可以为激光器提供很好的热稳定 性，在高功率运转时几乎不需要冷却，这是光纤激光器最重要的特点之一，基于 这个特点就可以得到高功率的飞秒激光输出，这是固体飞秒激光器无法做到的。 除了良好的散热性能，光纤飞秒激光器还有以下几种其它激光器不具备的优 划3 8 ，3 9 】 j ， 。 1 高增益。由于光纤具有细长结构，作为增益介质，其和激光的作用距离长， 充分吸收泵浦光，提高了泵浦效率，使信号光得到较高增益。 2 柔韧性好。由于光纤为介质纤维，盘绕半径可以很小，有利于进一步的小 型化和集成化。 3 环境稳定性好。光被限制在波导中独立于外界传输；增强了抗干扰性。尤 其是保偏增益光纤，环境的扰动几乎无法干扰其内部的动力学过程。 4 随着光纤激光器研究的深入开展，光纤光栅、半导体二极管泵浦技术、光 纤熔接技术、现代封装工艺的开发和针对光纤脉冲激光器新的锁模技术的出现， 有力地推动了光纤锁模激光器的小型化、集成化、模块化，提高了其长期工作的 稳定性。随着现代工业技术的介入，光纤激光器基本实现了免维护和即插即用。 基于以上几点，光纤超短脉冲激光器成为了研究的热点，特别是高功率超短 脉冲激光器，拥有很好的工业和军事应用前景。 1 2 2 光纤飞秒激光器的历史 光纤激光器的研究始于2 0 世纪6 0 年代。s n i t z e r 于1 9 6 4 年报道了在玻璃介质 中掺激活钕( n d 3 + ) 制成的光纤放大器 4 0 1 。但是受到当时光纤拉制工艺的限制， 光纤激光器没有得到更多的发展。这个局面一直持续到1 9 8 6 年s o u t h a m p t o n 大学 的s b p o o l e 等人拉制出第一根低损耗的掺铒( e r 3 + ) 增益光纤】，之后光纤放大 器才真正走向实用化。1 9 9 0 年m e f e r m a n n 等人开发了第一台光纤飞秒激光器 4 2 , 4 3 1 。由于突出的优势和光通讯的需求，光纤飞秒激光器和放大器进入了大发展 的时代，锁模技术和理论百花齐放。掺杂离子也由开始的铒离子不断发展出掺镱 ( y b ) 、钕( n d ) 、铥( t m ) 、镨( p r ) 、钬( h o ) 等增益离子。 y b ”离子吸收谱宽、吸收截面大、上能级荧光寿命长，开始其并没有作为增 益离子，而是用作敏化离子在很宽的波长范围内吸收泵浦光再将能量传输给增益 离子( j l l l e r 3 + ) 。1 9 8 8 年，英国南安普顿大学h a n n a 等人首次报道了以8 4 0n m 染料 激光器泵浦的掺y b 3 + 单模光纤，实现了连续激光运转，调谐范围1 0 1 5n m 1 1 4 0n m ， 4 天津大学博士学位论文 全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的研究 在1 0 7 6n m 处输出激光功率超过4 r o w 4 4 。这一开创性的工作使人们认识到掺y b ” 光纤的诸多优点如掺杂浓度高、较大的吸收截面，可以应用在大功率光纤激光系 统中。从此掺y b 3 + 的光纤激光器开始快速发展起来。 最初用作增益光纤的单模光纤纤芯较小，难以耦合大功率的泵浦光，而且耦 合效率低，耦合难度大，限制了增益光纤在大功率方面的应用。1 9 8 8 年s n i t z e r 等 人提出了双包层光纠4 引，解决了上述问题。双包层光纤结构分为纤芯、内包层和 外包层，信号光在纤芯中保持单模传输，内包层包围在纤芯外，泵浦光在其中多 模传输，泵浦光和掺杂纤芯有交叠，形成吸收。这样外包层的直径可以做得很大， 增加了泵浦光的接受面积和数值孔径，允许更大功率的泵浦光耦合进入光纤内， 提高了泵浦效率，而且避免了对泵浦源单模输出的限制，降低了耦合难度。双包 层光纤的出现打破了光纤激光器低功率的桎梏，开创了大功率光纤激光器大发展 的新局面。 1 9 9 4 年，h m p a s k 等首先实现了包层泵浦的掺n 1 3 + 双包层光纤激光器的运 转，获得了最大功率o 5w 、波长1 0 4 0n m 的输出，得到了8 0 的光光转换效率】。 1 9 9 6 年w a l t o n 等人，以工作波长为li x m 的固体飞秒激光器作为种子源，经由心 离子激光器泵浦的掺y b 3 + 双包层光纤放大器放大，得到单脉冲能量1 2 灿，重复频 率1k h z ，脉冲宽度1 0 0f s 的输出【4 丌，远超过了当时掺e ，光纤放大器2 的最高 单脉冲能量1 4 8 1 。y b 3 + 双包层光纤放大器的首次出现就如此惊艳，使人们意识到大 功率、高单脉冲能量的光纤短脉冲放大器的研究必然围绕掺y b ”光纤展开。1 9 9 7 年c a u t a e r t s 等人第一次实现了掺y b ”光纤锁模激光器的运转，输出单脉冲能量1 0 0 p j ，压缩后脉冲宽度小于10 0f s 4 9 1 。从此y b ”双包层光纤锁模激光器和放大器进入 大发展阶段，单脉冲能量和平均功率迅速增长。2 0 0 0 年a g a l v a n a u s k a s 和m e f e r m a n n 报导了平均功率大于1 3w 的掺y b 3 + 双包层飞秒光纤放大系纠知j ，这是飞 秒光纤激光器输出平均功率第一次超过1 0w ，而且超过了当时钛宝石飞秒激光系 统的最高平均输出功率，成为锁模光纤激光器发展过程中一个里程碑。该系统振 荡级为商用的掺y b 3 + 飞秒激光器，输出平均功率为3 0 0m w ，重复频率5 0m h z ， 脉冲宽度2p s ，光谱宽度2 0n m ，带有线性啁啾。经光纤展宽器展宽后由双向泵浦 的多模掺y b ”双包层光纤放大，信号光在放大过程中保持单模运转，耦合输出后 最大平均功率可达1 3w ，经光栅压缩后脉冲宽度为1 0 0f s 。同年，gc c h o 等人 报导了输出单脉冲能量大于1 0 0 山的全光纤飞秒激光系鲥5 1 】。 ， 光纤飞秒激光器发展到这个时候需要增益光纤具有更大的纤芯直径，以支持 更高的单脉冲能量。传统光纤导光方式要求：在保障纤芯为单模的前提下，只有 减小纤芯和包层的折射率差i l ，才能支持更大的纤芯直径。但是n 的减小会增加 光纤的损耗，对拉制工艺也提出了挑战，所以单模光纤的纤芯直径已经增大到了 第一章绪论 极限。为了突破这个极限，人们想到了多模光纤。2 0 0 1 年a g a l v a n a u s k a s 等人报 道了单脉冲能量为m j 量级的全光纤飞秒激光放大系统【5 2 1 ，该系统分为振荡级、展 宽器、三级放大和压缩器。振荡级为商用的光纤锁模激光器，输出的2p s 脉冲由 马丁内兹型展宽器展宽到4 0 0p s 后进入三级放大系统。每一级增益光纤的纤芯直 径都较前一级增大，重复频率都减小，最后单脉冲能量放大到1 2m j ，压缩器压 缩后脉冲宽度为2 5 0f s 。值得注意的是实验中后两级放大使用的光纤都是大模场 面积掺y b 3 + 双包层光纤，虽然纤芯为多模，但信号光在其中放大过程中始终保持 单模传输。主要是因为光纤弯曲成一定直径的环，降低了信号光基模与高阶模的 耦合系数；同时在拉制过程中减少了缺陷，避免了放大过程中基模到高阶模的耦 合；而且信号光耦合到放大光纤时只激发基模。这三个措施保证放大后输出模式 接近衍射极限。 虽然以上措施可以保证单模输出，但是光束质量和使用简易性远不及“纯种” 单模光纤。所以单模大模场面积双包层增益光纤是得到大功率高单脉冲能量光纤 飞秒激光系统的必由之路。问题好像又回到了起点，但是传统光纤不是新的起跑 方向，寻找到新的导光机理才能解决问题。光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , p c f ) 正是解决这个问题的新方案。光子晶体光纤的无截止单模特性使大模场面 积的单模光纤成为可能。 1 3 光子晶体光纤概述 光子晶体光纤【5 3 】是一种新型光纤，通常由单一介质构成并由在二维方向上紧 密排列而在轴向保持结构不变的波长量级的空气孔构成微结构包层。自从英国 b a t h 大学的j c k n i g h t 等人于1 9 9 6 年研制出第一根光子晶体光纤以来【”】，光子晶 体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，因而受到了广泛关注并成为近 年来光学与光电子学研究的一个热点【5 孓5 9 】。 1 3 1 光子晶体光纤的概念 光子晶体光纤的概念来源于光子晶体，是二维的光子晶体。光子晶体是1 9 8 7 年y a b i o n o v i t c h ! 删和j o h n 【6 1 】从自发辐射控制和光的局域角度分别提出的。光子晶体 是一种具有周期结构的材料，周期长度为光波长量级，依据布拉格原理产生光子 带隙效应，在特定的频率区间内，电磁波无论沿什么方向都不能传播，这些频率 区间就是所谓的光子带喇6 2 】。 光子晶体的概念自从出现后，便吸引了人们的注意。在研究二维光子晶体的 过程中，注意力主要集中于光波在周期结构平面内传播时的光子带隙情况，而要 在六角形晶格中产生完全的光子带隙，周期结构中两种介质的折射率之比不低于 天津大学博士学位论文全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的研究 2 6 6 6 3 】。英国b a t h 大学的r u s s e l l 等人打破这种思想束缚，当电磁波在垂直于二维光 子晶体平面的方向上有一传播常数p 时，如果b 足够大，在镶嵌着空气孔的熔石英 ( s i 0 2 ) 六角形晶格结构中，就能够产生完全的光子带隙f 6 4 1 。据此，该小组在1 9 9 6 拉制出第一根光子晶体光纤。 然而实验发现，报道的第一根光子晶体光纤并没有期望的光子带隙效应，实 现光传输的原理被解释为全内反射【5 4 1 。传统光纤通过掺杂使得纤芯折射率高于包 层折射率从而实现全内反射，而实芯的光子晶体光纤仅由一种材料构成，包层为 空气孔和熔石英所形成的微结构，其有效折射率低于纤芯的折射率【6 5 舯】，因而能 够满足全内反射条件。这种新的机理被称为改进的全内反射，相应的光纤也被称 为折射率引导型光子晶体光纤或全内反射光子晶体光纤。为了实现真正的光子带 隙效应，j b r o e n g 等人理论研究发现采用蜂巢结构能够极大地增加光子带隙的宽度 6 7 - 6 9 】，并报道了第一根依赖光子带隙效应实现光传输的光子晶体光纠7 0 】。 1 3 2 光子晶体光纤的特性 无截止单模特性 对于传统光纤，其单模传输由归一化频率v 决定【7 1 】，当v 2 4 0 5 时光纤为单模。 光子晶体光纤具有的无截止单模特性是指在很长的一段波长范围内其具有单模特 性。第一根光子晶体光纤在3 3 7 啪到1 5 5 0n m 波长范围内都是单模的【6 5 】。这一特 性可以用有效折射率模型来解释鲫，关键在于包层内空气孔中光的填充程度随辐 射波长变化。类似于传统光纤的归一化频率，采用有效归一化频率v 。丘作为光子晶 体光纤的单模传输条件： = 孚( 忍州2 一行乞户( 1 - 1 ) 其中r 是纤芯的半径，九是真空中的波长，l _ l c o r e 是纤芯的折射率，i l c l a d 是包层 的有效折射率。包层的有效折射率并不是包层材料折射率的简单平均或加权平均， 而是由光场分布决定。波长减小使光场越来越集中在折射率较高的石英区域中， 因而提高了1 1 c l a d ，其效果是降低了芯层和包层的折射率之差，使得归一化频率v 疆 趋于定值，从而满足了单模传输条件。 无截止单模特性是光子晶体光纤显著特点之一，提出后就很快应用在大模场 面积单模光纤上【7 2 7 4 】，传输短脉冲激光【7 5 1 ，或者直接发展成大功率单模光纤激光 器【7 6 1 。 色散特性 色散是光纤最重要的参数之一，其直接影响光脉冲在光纤中的传输特性，如 第一章绪论 孤子传输、超短脉冲的产生、超连续光谱和谐波的获得等。 光纤的色散主要由材料色散和波导色散两部分构成，传统光纤的波导色散为 正常色散，因而传统光纤的零色散波长在1 3 m 附近，大于材料( 熔石英零色散 点1 2 7 岬) 的零色散波长。与传统光纤在可见光波段呈现正常色散不同，光子晶 体光纤的包层空气孔结构使芯层和包层的折射率之差增大，纤芯面积减小，从而 极大地增强了波导色散的作用，使得波导色散可以为反常色散，因而光子晶体光 纤的零色散波长可以小于传统光纤的零色散波长( 1 3 岬) ，甚至能移至可见光范 围【7 7 9 1 ；而且通过改变结构，很容易将光子晶体光纤的零色散点调至所需要的波 长。这些在传统光纤中是不可能实现的。光子晶体光纤不仅零色散点灵活可调， 通过适当设计空气孔的参数，还可以在极宽的波段内具有平坦色散1 8 0 。，平坦色散 值也可以根据需要设计为正常色散、反常色散或近似零色散【8 1 1 。经过十几年的发 展具有灵活色散特性的光子晶体光纤己在非线性光学和光纤器件等方面取得了重 大突破。 非线性特性 光子晶体光纤具有传统光纤非线性光学特点，使激光和非线性介质相互作用 距离从光学晶体的几十毫米扩展到米量级甚至公里量级，但又不同于传统光纤， 其既能够保持激光的高功率密度，又能够保持脉冲宽度不变，成为最理想的第三 代非线性光学介质。通过减小光子晶体光纤的纤芯面积可以极大地增强光纤中的 非线性效应【8 2 】，同时增强了的波导色散使光纤零色散点可以移到1 3 m 以下。如 果光子晶体光纤的零色散点移到常用的飞秒激光器的工作波长附近，那么飞秒激 光器产生的超短脉冲在光子晶体光纤中传输时能够保持极高的峰值功率，产生丰 富的非线性现象，而脉冲中心波长和零色散点的相互位置也能够左右非线性过程 【5 8 1 。该过程可以是单一的光孤子效应【8 3 , 8 4 】、频率变换【8 5 8 7 1 、可以是多重效应叠加 在一起的超连续光谱8 9 , 9 0 ，甚至可以产生高次谐波【9 1 , 9 2 】等在传统光纤中很难观察 到的现象。因此，光子晶体光纤非线性效应的丰富程度和低阈值超过了以往的任 何一个非线性介质，其实验和理论成果大大丰富了原有非线性光纤光学的内容。 带隙传输特性 光子晶体光纤提出的初衷就是利用光子带隙导光，使波长处于带隙中的光在 空气纤芯中传播，相比传统光纤，该种光纤减小了瑞利散射损耗，从理论上预计 可以实现0 1d b k m 的损耗【9 3 】，小于目前商用通信光纤o 1 5d b k m 的损耗【州。但是 由于其复杂的结构对拉制技术的苛刻要求还没有完全得到满足，其本身的损耗机 理( 如表面模的引入) 也使得空气纤芯光子带隙光纤还远没有达到预期的目标， 该种光纤在通信波段的最小损耗目前只有1 2d b k m 9 5 】。但是空气纤芯光子带隙光 - 8 天津大学博士学位论文 全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的研究 纤很小的非线性系数和负色散特性已经在飞秒激光脉冲的传输领域得到了一定的 应用1 9 6 - 9 9 】。由于光纤纤芯为空气所以利用该种光纤为研究光脉冲和气体的相互作 用提供了一个新的平台。除了布拉格衍射形成的光子带隙，还可以利用反谐振反 射光波导原理形成带隙光波导 0 0 , 1 0 h ，目前全固带隙光纤就是基于这个原理，其纤 芯和背景材料同为低折射率，而包层周期分布着独立的高折射率材料，该种光纤 的带隙特性已经被广泛深入研究【1 0 2 j 0 5 1 ，并且开始应用在飞秒激光器中【1 0 6 圳8 1 。 1 4 光子晶体光纤飞秒激光器 光子晶体光纤的出现给光纤飞秒激光器提供了一个新的介质。其无尽单模和 可控色散特性给飞秒激光带来了飞跃性的进步。利用内包层较低的空气填充率可 在大模场面积纤芯实现单模运转，这一性质被很快应用在掺杂的大模场面积光子 晶体光纤中【1 0 9 ，1 1 0 j ，这一应用打破了传统双包层光纤纤芯面积的限制，为高功率、 高单脉冲能量光子晶体光纤飞秒激光系统的研制提供了一个必要条件。不但如此， 可设计的色散特性使光子晶体光纤可以在所需要的波段提供负的二阶色散【1 1 1 】用 于飞秒激光器的色散补偿。更值得一提的是如果将增益、非线性、负色散集中在 一根光纤上就可以实现理想的集成化光纤飞秒激光器【1 1 2 j 1 4 】。基于这两个特性，光 子晶体光纤飞秒激光器得到了飞快的发展【l ”】。 光子晶体光纤飞秒激光振荡器 光子晶体光纤一开始只是作为色散补偿元件应用在光纤飞秒激光器中，但是 很快该种光纤的纤芯中就掺入了增益离子，将增益、非线性、负色散集中于一根 光纤。2 0 0 1 年k f u r u s a w a 等人利用y b ”掺杂的微结构光纤实现了锁模输出【1 1 2 】。 2 0 0 4 年m o e n s t e r 等人将n d 3 + 离子掺入光子晶体光纤中，该光纤纤芯直径7l t m ，在 1 0 6 0n m 处呈现负色散，利用s e s a m 实现了被动锁模【3 1 。但是该种光纤的纤芯较 小，输出功率不高，只有几十个m w 。为了避免纤芯较小带来的输出功率限制， 将掺y b 3 + 大模场面积光子晶体光纤作为增益介质，可以得到高功率输出【1 1 1 8 1 。天 津大学超快激光实验室在国内率先开展了光子晶体光纤飞秒激光振荡器的