（光学专业论文）掺yb3双包层光子晶体光纤激光器研究.pdf

捅要 摘要 掺y b 3 十光子晶体光纤激光器( p c f l ) 是较常规光纤激光器更优秀的光子源，它在诸多 科技领域有着广阔的应用前景。本论文概述了双包层光子晶体光纤激光器的发展状况及 发展前景。从光纤中y b ”的激光能级结构和光谱特性、双包层p c f 的基本结构、p c f 激光器的基本结构和功率传输方程等方面讨论了掺y b 3 + 双包层p c f l 的基本工作原理。 依据速率方程理论，建立了掺n 3 + 双包层光子晶体光纤激光器的理论模型，并利用 r o u n g e k u t t a ( 龙格一库塔) 算法编程，分别对未考虑r a m a r l 效应和考虑r a m a n 效应 两种情况下激光器的输出特性进行了数值模拟。未考虑r a m a l l 效应时，得出了p c f l 光学腔内传输功率的分布情况、阈值泵浦功率、输出功率与p c f 长度和输出镜反射率的 关系以及泵浦功率与输出功率的关系；分析了考虑r a m a n 效应时，p c f 长度、纤芯横 截面积、纤芯有效吸收系数及泵浦方式对双包层p c f l 输出特性的影响，找到了减小 r a m a n 效应提高激光输出功率的途径。对掺y b 3 + 双包层p c f l 的功率特性和光谱特性进 行了实验研究。采用单端输出方式时，得到的最大激光功率为3 6 3 w ，光一光转换效率 为3 0 o ，斜效率为3 5 1 ，输出光谱呈现多波长的特性：采用前后向双端输出时，获 得的最大输出功率为4 2 4 5 w ，光一光转换效率为3 5 1 ，斜效率为4 4 1 ，获得了单 个波长输出，峰值位于1 0 6 7 5 6 0 h m 左右。利用闪耀光栅对掺y b 3 + 双包层p c f l 进行了外 腔调谐，在近7 6 3 n m ( 1 0 3 5 4 2 5 - 1 1 1 1 7 7 0 r i m ) 波长范围内实现了连续调谐激光输出； 另外，对外腔调谐p c f l 的偏振度进行了测量，发现不同泵浦功率下的激光偏振度均大 于o 8 7 。 关键词光纤激光器光子晶体光纤y b 3 + 掺杂包层泵浦 a b s t r a c t a b s t r a c t y b 3 + - d o p e dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e rl a s e r s ( p c f l s ) a r em o r ee x c e l l e n tp h o t o ns o u r c e st h a n c o n v e n t i o n a lf i b e rl a s e r s ，a n dt h e yh a v ev e r yw i d ep r o m i s i n ga p p l i c a t i o n si nag o o dm a n y t e c h n o l o g i c a lf i e l d s t h ed e v e l o p m e n t sa n d t h ep r o s p e c t so fd o u b l e c l a dp c f l sa r er e v i e w e d i nt h i sp a p e r t h ep r i n c i p l eo fy b s + - d o p e dd o u b l e c l a dp c f l sa r ed i s c u s s e di nm a n ya s p e c t s ， s u c ha st h es p e c i f i cl a s e re n e r g ys t r u c t u r ea n ds p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so fy b ”d o p e di nf i b e r s ， t h eb a s i cs t r u c t u r eo fd o u b l e - c l a dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ra n dp c f l ，a n dt h ep o w e rt r a n s m i s s i o n e q u a t i o n s t h et h e o r e t i c a lm o d e l so fy b 3 + - d o p e dd o u b l e c l a dp c f l sa r ed e v e l o p e db a s e do n r a t ee q u a t i o n s ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fy b 3 + - d o p e dd o u b l e - c l a dp c f l s ，c o n s i d e r i n gr a m a n e f f e c ta n dw i t h o u tr a m a ne f f e c t ，a r en u m e r i c a l l ys t u d i e du s i n gas t a n d a r dr o u n g e k u t t a m e t h o d 谢t l lm a t l a b w i t h o u tc o n s i d e r i n gr a t n a ne f f e c t , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p a r a m e t e r sa n dt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i b e rl a s e ra r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hc o n c l u d e t h ed i s t r i b u t i o no ft r a n s m i s s i o np o w e ri nt h el a s e r sc a v i t y , t h r e s h o l dp u m pp o w e r , t h er e l a t i o n b e t w e e no u t p u tp o w e ra n dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e rl e n g t h ，t h er e l a t i o nb e t w e e no u t p u tp o w e r a n dm i r r o rr e f l e c t i v i t y , a n dt h er e l a t i o nb e t w e e np u m pp o w e ra n do u t p u tp o w e r c o n s i d e r i n g r a m a ne f f e c t ，t h ei n f l u e n c e so fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e rl e n g t h ，c r o s ss e c t i o no ft h ef i b e rc o r e ， e f f e c t i v ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to ff i b e rc o r ea n dp u m p i n gm o d eo nt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s o fd o u b l e c l a dp c f l sa r eg i v e n ，a n dt h em e t h o do fr e d u c i n gr a m a ne f f e c tt oa d v a n c eo u t p u t p o w e ri sf o u n d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eo u t p u tp o w e ra n ds p e c t r ao fy b 3 + - d o p e d d o u b l e c l a dp c f l sh a sb e e nm a d e i nt h es i n g l ee n do u t p u tm a n n e r , t h em a x i m u mo u t p u ti s 3 6 3 w jl i g h t - l i g h te f f i c i e n c yi s3 0 0 ，s l o p ee f f i c i e n c yi s3 5 1 ，a n dt h eo u t p u ts p e c t r u m s h o w si t s e l fm u l t i - w a v e l e n g t h i nt h ed o u b l ee n d so u t p u tm a n n e r , t h em a x i m u mo u t p u ti s 4 2 4 5 w ：t h el i g h t - l i g h te f f i c i e n c yi s3 5 1 ，t h es l o p ee f f i c i e n c yi s4 4 1 ，a n ds i n g l e w a v e l e n g t hw i t hap e a kv a l u ea ta b o u t1 0 6 7 5 6 0 n mi so b t a i n e d w a v e l e n g t ht u n a b l eo u t p u t w i t har a n g eu pt o7 6 3 n m ( 1 0 3 5 4 2 5 - - - 1 1 1 1 7 7 0 n m ) i sr e a l i z e di nay b 3 + - d o p e dd o u b l e - c l a d p c f lb a s e do na l le x t e m a lc a v i t yo fl i t t r o wc o n f i g u r a t i o n i na d d i t i o n ，t h eo u t p u tp o l a r i z a t i o n o ft h et u n a b l ey b 3 + - d o p e dd o u b l e c l a dp c f li sa l s os t u d i e d ，a n dt h em e a s u r e dp o l a r i z a t i o n s w i t hd i f f e r e n tp u m p i n gp o w e ra r ea l lm o r et h a n0 。8 7 k e yw o r d s ：f i b e rl a s e r ；p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ；y b 3 + _ d o p e d ；c l a d - p u m p i n g 河北大学 学位论文独创性声明 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的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谓十的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。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 的说明并表示了致谢。 作者签名： 雀垂华 ： 日期： 迦z 年上月上日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 i 2 、不保密四。 ( 请在以上相应方格内打“”) 作者签名：之筐垒罕日期：立竺乙年l 月上日 导师签名： 歪 ! 瑟日期：圣啤年上月上日 第1 章绪论 本章简要介绍了光子晶体光纤的概念、结构及特性，重点回顾了光子晶体光纤激光 器的研究进展，阐述了本论文的研究目的和研究内容。 1 1 光子晶体光纤 光子晶体光纤是一种晶格常数为光波长量级的带有缺陷的二维光子晶体，即由规则 地沿轴向排列着空气孔的石英光纤阵歹i 构成光纤的包层，而光纤的芯是由一个破坏了包 层结构周期性的缺陷构成的。1 9 8 7 年，y a b l o n o v i t c h 和j o h n 在研究如何抑制自发辐射和 光子局域特性时分别独立提出了光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 的概念：一种园折射率 空间周期变化而具有光子能带的新型光学微结构材料，其折射事变化周期为光波长量 级。1 9 9 6 年人们研制出一种具有许多与常规光纤完全不同的“奇异”特性的光纤光 子晶体光纤【1 1 ( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r 简称p c f ) ，又称微结构光纤( m i c r o s t r u r e f i b e r ，简称m f ) 或多孔光纤( h o l yf i b e r ) 。 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p c f 和光子带 隙型p c f ( 简称p b g 光纤) ，结构如图1 ( a ) 和图1 ( b ) 所示。折射率引导型f c f 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p b g 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于带隙结构来导光的。 图1 ( a ) 折射率引导型f c f图l ( b ) 光子带隙型p c f 与传统光纤相比，p c f 具有很多异乎寻常的优势： 一、能够在大模面积、天数值孔径的苛刻条件下保持“无穷尽”的单模特性( 可在 l 河北大学理学硕士学位论文 近紫外至近红外的宽波段内维持单横模) ； 二、p c f 具有强的非线性效应。可以通过改变孔间距来减小模面积，来获得强的非 线性； 三、p c f 具有良好的色散特性。可以在小于1 m 的波长上实现反常色散，而传统的 单模光纤要求波长大于1 2 8 岬。b i r k sta 等人f 2 】经过计算得出p c f 可以获得高达一2 0 0 0 p s n m k m 的色散值，据此能够得出这种光纤可以补偿是其长度i 0 0 倍的标准光纤的色散， 这远远超过了传统色散补偿光纤的色散补偿能力，这种性能在飞秒脉冲光源的色散补偿 中有着重要应用； 四、p c f 的零色散点可调。利用p c f 包层的特殊结构，适当增大气孔的直径，可以使 零色散点向短波方向位移，直到5 0 0 7 0 0 n m l 3 j ： 五、高双折射现象。在p c f 中可以通过改变包层结构参数制作出高双折射效应的p c f ， 只需破坏p c f 截面的圆对称性使其成为二维结构即可，p c f 的双折射系数可达1 0 。3 以上【4 】。 另外，由于引入空气孔可以得到普通光纤无法实现的大折射率差，而且改变空气孔 的大小和排列可以控制其光学特性，因此设计上更加灵活。 1 2 光子晶体光纤激光器的研究进展 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用武之地， 已经成为当今激光技术及其应用领域的研究热点。 2 0 世纪6 0 年代初就发明了第一台光纤激光器【5 1 ，然而受到低损耗光纤制作工艺和 泵浦光源的制约，在长达2 0 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2 0 世纪8 0 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( c l a dp u m p i n g ) 技术使光纤激光器的输出功率提高了几个量级。目前，由掺y b 3 + 双包层石英光纤制成的激光器，已经获得近千瓦【6 ，7 】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。 2 0 世纪9 0 年代中期p c f 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p c f 的光纤激光器件一般可 2 第1 章绪论 以分为以下两大类：一类是利用小模面积p c f 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8 1 大模面积 9 p c f ( 尤其是双包层p c f ) 研制的高功率、高光束质量近红 外p c f 激光器。在同等泵浦条件下，小模面积p c f 比一般光纤更容易产生非线性效应，适合 于研制低阂值、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p c f 激光器中，大模面积p c f 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p c f 激光器的发展奠定了坚实的基础。 尤其把双包层概念【l o 】引入到p c f 后，光纤激光器的某些性能显著提高。另外，常规 光纤激光器中的抽运技术【1 1 1 ，谐振腔技术【1 1 l 、调q 【1 2 】、锁模【1 3 】和相干组束技术【1 4 】也在不 断融入p c f 激光器。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展p c f 激光器的研 究工作吲。目前，国外已经把p c f 激光器做到了千瓦级。 1 2 1 国外光子晶体光纤激光器的研究进展 2 0 0 0 年，英国的w a d s w o r t h 等人用波长为9 7 0 n m 的t i ：s a p p h i r e 激光器泵浦一段 8 1 m m 长的掺v b 3 + p c f ，在输入功率为3 3 0 m w 时得到了在波长1 0 4 0 n m 处功率为1 4 m w 的激 光输出，标志了第一台光子晶体光纤激光器( 简写为p c f l ) 1 6 i ；q 世。虽然该激光器各 方面性能不是很理想，但它迈出了p c f l 迅速发展重要的第一步。 2 0 0 1 年w a d s w o r t h 等人【1 7 】报道了第一台大模面积掺y b 3 + p c f l ，当泵浦光为1 0 3 w 时得到了在波长1 0 4 0 n m 处3 1 5 r o w 的单模激光输出。2 0 0 1 年f u r u s a w a 等人用波长9 6 6n m 的半导体激光器泵浦一段长度约为1 m 的掺y b 3 + p c f ，实现了第一台掺y b 3 + 锁模p c f l 1 8 1 ， 得到平均输出功率为1 7 m w ，脉宽约1 5 p s ，斜效率约7 5 ，波长调谐范围1 0 3 0 n m - - 1 0 5 0 n m ， 脉宽为0 1 n m 。2 0 0 1 年，f u r u s a w a 等人报道了一种内外空气包层的包层泵浦p c f l 。泵 浦波长为9 7 6 n m 时，获得了8 2 的斜效率，这与传统的双包层光纤相比也是非常高的： 另外选取9 1 5n m 波长进行泵浦，获得的输出功率超过1 w ，耦合效率6 0 ，激光输出斜 效率7 0 。2 0 0 3 年1 月，w a d s w o r t h 等人【1 9 】报道了利用大模面积空气包层p c f 研制的高 功率p c f l ，其结构为双程后向线性腔结构，最大输出功率3 9 w ，斜效率3 0 。2 0 0 3 年 4 月，德国和丹麦的科研人员一起报道了输出波长1 0 7 0r i m ，输出功率达到8 0 w ，斜效率 3 河北大学理学硕士学位论文 为7 8 的高功率双包层p c f l 2 0 l 。据最新报道【2 1 1 ，利用这种p c f 研制的大功率p c f l 的最 大输出功率已经达到2 6 0 w 。2 0 0 4 年，a b e d i n 等弘纠利用1 0 m 长的偏振保持p c f 的主动锁 模光纤激光器输出了重复频率为1 0 g h z ，脉宽为1 2 6 p s 的脉冲。2 0 0 5 年初，j l i m p e r t 等人【2 3 】研发出一种新型的棒状掺y b 3 + p c f ，这种光纤对泵光的吸收系数高达3 0 d b m ，仅 采用4 8 c m 的光纤，在泵光为1 6 5 w 时，获得了高达1 2 0 w 的激光输出，斜效率为7 4 。 2 0 0 5 年，j l i m p e r t 等【冽人报道了利用短的掺y b 3 + p c f 作为增益介质的调q 光纤激光器， 输出脉冲功率高达3 0 w ，重复频率为1 0 0 k h z ，脉宽低于1 0 n s 。同年，l j c o o p e r 和p w a n g 等人采用了1 0 芯掺y b 3 + 双包层光纤激光器【2 5 1 ，在1 0 4 5 n m 波长处获得了3 2 0 w 的峰值功 率。2 0 0 6 年，j l i m p e r t 等【2 6 】人报道了一种大模面积掺y b 3 + p c f l ，p c f 的纤芯半径为6 0 阻， 模面积约为2 0 0 0 p m 2 ，长度为0 5 m ，输出高达3 2 0 w 的单模激光，经计算可得平均每米 可达到5 5 0 w ，这是目前单位长度可达到的最高功率。2 0 0 6 年，m l a r o c h e 等【2 7 】人报道 了被动调q 掺y b 3 + p c f l ，输出了峰值功率为9 k w ，脉宽为2 7 n s 的脉冲。 1 2 2 国内光子晶体光纤激光器的研究动态 国内对p c f l 的研究处于刚刚起步阶段。国家对微结构光纤这一新型材料的特性以及 发展给予了相当重视，在“8 6 3 ”计划和“9 7 3 计划分别列为重要研究课题。2 0 0 2 年， 燕山大学在“8 6 3 ”计划的资助下，拉制出第一根微结构光纤，并在中国光电报导 了研究结果。2 0 0 3 年8 月，深圳大学在国内首次报导了掺y b ”双包层p c f l 的实验结果，利 用9 8 0 n m 半导体激光器泵浦2 0 m 掺y b 3 + 双包层p c f ，在泵浦功率为2 2 w 时，在1 1 肛m 附近获 得了2 w 的激光输出【2 8 】。2 0 0 4 年1 月，又报导了3 4 w 的掺y b 3 + 双包层p c f l 2 9 ；6 月又进一步 得到了1 5 w 的掺y b 3 + 双包层p c f l t 3 0 1 。2 0 0 5 年，西安光机所3 1 1 报道了利用9 7 6 n m 的光纤耦合 二极管泵浦掺y b 3 + 大模面积双包层p c f ，1 0 4 p m 附近获得y s o w 的连续激光输出。然而， 在这些p c f l 中所用的掺y b ”p c f 全都是国外公司的产品。2 0 0 4 年6 月下旬，上海光机所的 研究人员以钕离子掺杂玻璃棒为纤芯，以空心毛细管玻璃阵列为包层制成预制棒，成功 地拉制出芯径达4 0 岬的单模p c f 。研制这种p c f 的目标在于制作大功率单模钕玻璃光纤 激光器。p c f l 的国产化还受到相关器件( 如t a p e r 耦合器) 和核心技术( 耦合技术、光 纤光栅写制技术、端面处理技术) 的制约，只有努力创新并积极合作，才能早日缩小与 国际先进水平的差距，提高国际竞争力。 总之，p c f 的出现，将光纤有源器件推向了又一个崭新的发展阶段。它独特的波导 4 第1 覃绪论 皇n 。i i i ,i詈量毫曼皇曼 结构、灵活的制作方法，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。p c f l 是较常规光纤激光器 更优秀的光子源，它在诸如光通信、光传感、科学研究、军事研究、光学测量、精密仪 器加工、材料科学、生命科学以及投影显示等领域有着广阔的应用前景。 1 3 本论文的主要研究内容 本文的工作是在国家自然科学基金项目、“河北大学省部共建人才项目 、“河北省 教育厅博士基金”和“省基金预研项目 资助下进行的。从理论和实验两方面对p c f l 进行了研究。主要研究内容有： ( 1 ) 在简要介绍p c f 主要特点的基础上，综述国内外p c f l 的研究进展情况，并指 出其发展前景。 ( 2 ) 从光纤中y b 3 + 的能级结构和光谱特性、双包层p c f 的基本结构、激光器的基 本结构和功率传输方程等方面讨论了掺y b 3 + 双包层p c f l 的基本工作原理。 ( 3 ) p c f l 的工作特性的理论研究。通过建立t p c f l 的理论模型，利用数值算法编 程，分别对未考虑r a m a n 效应和考虑r a m a n 两种情况下双包层p c f l 的输出特性进行了模 拟，找到了各光纤参数与激光器输出特性间的关系，为光纤激光器的优化设计提供理论 依据。 ( 4 ) 对掺y b 3 + 双包层p c f l 进行了实验研究，主要对其输出功率特性和光谱特性进 行了研究；并对调谐的掺y b 3 + p c f l 的调谐特性进行了实验研究。 5 河北大学理学硕士学位论文 第2 章掺y b 3 + 双包层光子晶体光纤激光器的基本原理 本章从光纤中y b ”的激光能级结构和光谱特性、双包层p c f 的基本结构、p c f 激 光器的基本结构和功率传输方程等方面讨论了掺y b 3 + 双包层p c f l 的基本工作原理。 2 1 光子晶体光纤中y b 3 + 的能级结构及光谱特性 2 1 1y b 3 + 的激光能级结构 与其它稀土离子相比，y b 3 + 能级结构十分简单，与激光跃迁相关的能级只有两个多 重态能级2 f 5 彪和2 f 7 2 ，如图2 1 ( a ) 所示。当y b 3 + 掺入石英等基质材料后，由于基质材料 中电场分布的不均匀，这两个能级将因s t a r k 效应而产生分裂，2 f 5 忽展开成3 个子能级， 2 f 7 尼展开为4 个子能级，在低温条件( 2 0 k ) 下这些子能级均可分辨，如图2 。1 ( b ) 所示【3 2 1 。 但是在室温条件下，2 f 5 2 的3 个s t a r k 子能级只有2 个可以分辨，2 f 7 2 的4 个s t a r k 子 能级只有3 个可以分辨，如图2 1 ( c ) 所示。由于y b 3 + 的能级中没有其他上能级存在且能 级间隔比较大，不存在激发态吸收、多声子非辐射驰豫和浓度淬灭效应，因此掺w + 玻璃基质的激光辐射一般具有很高的量子效率。 2 f 7 在 。! 酊1 c m i e 、1 0 0 0 e 一；0 0 d = = = = = 1 0 3 0 0 d 】0 2 5 0 c ( b a 9 0 0 6 5 0 0 c b a 9 5 0 5 5 0 0 ( a ) 基本结构( b ) 精细结构( 2 0 k )( c ) 精细结构( 室温) 图2 1 光子晶体光纤中y b 3 + 的能级结构 在常温条件下石英光纤中y b 3 + 激光跃迁有两类情况。当泵浦光波长为9 1 5n l t l 时， 存在三种可能的激光跃迁过程，如图2 2 ( a ) 所示。过程i 对应的跃迁为d c ，发射的中 心波长为1 0 7 5 n m ；过程i i 对应的跃迁为d b ，发射中心波长为1 0 3 1 n m ；过程对应 的跃迁为d a ，发射中心波长为9 7 6 n m 。其中过程的激光下能级为基态，因此为三能 级系统；过程i 和i i 的激激光下能级( b 或c ) 均为s t a r k 分裂产生的、处于基态子能级 6 第2 章掺y b 3 + 双包层光子晶体光纤激光器的基本原理 之上的子能级，具有四能级系统的特点，但是由于子能级b 或c 距离基态很近，在泵浦 不充分的情况下，能级b 或c 上仍可能存留较多的粒子，因此严格说来它们应属于“准 四能级”系统。当泵浦光波长为9 7 6 n m 时，存在两种可能的激光跃迁过程，如图2 2 ( b ) 所示。过程i 对应的跃迁为d c ，发射的中心波长为1 0 7 5 n m ；过程i i 对应的跃迁为d - - - b ，发射中心波长为1 0 3 1 n m 。这两个过程的下能级也都是s t a r k 分裂产生的、处于基 态之上的子能级。虽然在室温下能级d 不能分辨出两个清晰的子能级，但它仍然是由 s t a r k 子能级构成的多重态展宽的能级，因此过程i 和i i 的激光跃迁也具有准四能级系 统的特点j e a a - l 脚 1 0 2 5 0 9 5 0 5 5 0 o ( a ) 磊苜 泼长一9 1 5 拙( b l 蓊毒波长一9 7 6 衄 图2 2 石英光纤中1 b 3 + 激光跃迁机制示意图( 室温) 2 1 2y b 3 + 的光谱特性 c 试l 1 0 9 1 0 2 5 0 9 卯 5 卯 0 图2 3 为在室温条件下测得的掺y b 3 + 石英光子晶体光纤的吸收光谱( 图2 3 ( a ) ) 【3 卅和荧 光光谱( 图2 3 ( b ) ) d 2 。 ： 5 o g t o 扯 基 c 们 昱 宝 _ ( a ) 吸收光谱 荧光光谱 图2 3 掺y b 3 + 石英p c f 的吸收光谱与荧光光谱 根据掺n 3 + p c f 的吸收谱可知，掺y b s + p c f l 最适宜的泵浦波长有两个：9 15 n m 和 7 e d c b a 珊 嘞 哳 河北大学理学硕士学位论文 9 7 6 n m 。其中第一个泵浦波长位于一个较宽的吸收带内，它吸收系数较低，适合于采用 大线宽的泵浦源，而且对泵浦光的波长特性要求不严格；第二个泵浦波长位于9 7 6 m n 吸 收峰的中心，它具有较高的吸收系数，但由于这个吸收峰很窄，因此要求泵浦源输出波 长的线宽小于4 n m ，并且对泵浦波长的稳定性也有较高要求。所幸目前l d 的工艺性能 完全可以达到这个要求。 2 2 掺y b 3 + 双包层光子晶体光纤的基本结构 稀土掺杂双包层p c f 作为光纤激光器的增益介质，对激光器的性能有重要的影响。 图2 4 给出了圆对称形单模掺n 3 + 单包层光纤和双包层光纤的折射率分布示意图 3 5 】。 图2 4 ( a ) 所示为单包层光纤，它包括纤芯、包层、。内涂层和外涂层等四个部分，各部分 的半径分别为r 1 、r 2 、r 3 、r 4 ，折射率分别为n 1 、1 1 2 、n 3 、n 4 。满足n l n 2 ，n 3 n 2 ，前 一条件保证了光纤在纤芯中发生全反射，后一条件使泄漏到包层内的高次模尽快泄漏出 光纤，实现单模传输。图2 4 ( b ) 所示为双包层光纤，它也包括四个部分：纤芯、内包层、 外包层、外涂层。其折射率满足n l n 2 n 3 ，这样的折射率分布使内包层既起到单模纤 芯的低折射率包层的作用，同时又成为传输大功率多模泵浦光的通道。 o 致趣匀“ on奄秘秘 ( a ) 单包层光纤( 常规) c o ) 双包层光纤 图2 4 石英光纤的折射率分布示意图 因为掺y b 3 + 光纤激光器的工作波长范围为9 7 5 n m - - - 11 2 0 n m ，为了保证激光在纤芯中 以单模传输，因此要求光纤的截止波长以 9 7 5 n m 。普通单模通信光纤的数值孔径n a = 0 1 1 一+ 0 0 1 ，为了提高泵浦光的接受效率，双包层光纤芯的数值孔径应该与这个值相当 或更大一些。但是，如果保证丸 9 7 5 n m ，增大n a 意味着减小纤芯半径，这会使光纤内 的有效模体积减小，导致激光器的增益降低。因此，在设计中需要综合考虑以上因素。 r 第2 章掺y b ”双包层光子晶体光纤激光器的基本原理 以上介绍的是普通双包层光纤的结构及其性能，而双包层p c f 可以等效成普通的双 包层光纤。双包层p c f 的结构横截面及其泵浦方式如图2 5 所示。 保护f6 严背层尹士纤芯 藁? 灌肇 翻忌j 勰 锚光输出 图25 双包层p c f 截面示意图及泵捕示意图 对于这种双包层结构的p c f 来说，泵浦光不是直接进入到纤芯中，而是先进入到包 围在纤蕊外部的泵浦芯中，而后在整个光纤长度上传输的过程中泵浦光都是从多模的 泵浦芯耦合到单模的纤芯中的，从而延长了泵浦长度以使泵浦光被充分吸收。内包层的 作用有：限制和保证振荡激光在纤芯中传播，输出激光的光束质量高，构成泵浦光的传 播通道；内包层的横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯，内包层的尺寸一般大于1 0 0 “m ， 使得聚焦后的泵浦光可以高效地耦合进内包层；普通单模光纤激光器要获得单模输出， 泵浦光也必须是单模的，但单模泵浦光功率非常低：双包层p c f l 的输出模式是由其波 导结构限制和决定的，高功率的多模半导体激光泵浦，就可获得高功率单模激光输出。 这种简单、高效的耦合方式，使高功率半导体激光器产生的多模状态的泵浦光，有效地 转化为具有很好光束质量的高亮度激光。 23 光子晶体光纤激光器的基本结构 双包层光子晶体光纤激光器与其它常规激光器一样，也是由三个基本部分构成：泵 浦源、增益介质和谐振腔。泵浦源的能量激励掺杂于双包层光纤纤芯中的稀土离子，形 成粒子数反转，使受激辐射光在谐振腔中振荡放大，最后形成激光输出。 231 谐振腔的构成 1fp 腔 f - - p 腔是多数激光器普遍采用的一种腔结构。由于用于双包层光于晶体光纤的 w d m 和3 d b 耦合器等非常规耦合器的制造难度较大，因此目前在高功率双包层光子晶 9 河北大学理学硕士学位论文 体光纤激光器中采用f p 线性腔结构的居多。按照所用反馈元件的不同，f p 腔可以 分为三种类型：二向色镜作为腔镜、光纤光栅作为腔镜和光纤环形镜作为腔镜。 ( 1 ) 二向色镜作为腔镜f p 腔 图2 6 所示为最容易实现的一种f p 腔，它是通过在增益p c f 的两端配置二向色 镜来构成谐振腔。其中位于泵浦注入端的二色镜，对泵浦光高透射而对激光高反射：位 于输出端的二色镜，对泵浦光高反射而对激光有适当的透过率。采用二色镜作为腔镜在 技术上容易实现，但是二色镜不能精确选择激光器的输出波长，使得激光器的单色性差。 而且不利于激光器的集成化、小型化。 掺稀土双包层p c f 腔镜( m 1 )腔镜( m 2 ) 图2 。6二色镜反馈f p 腔双包层p c f 激光器结构不慈图 ( 2 ) b r a g g 光纤光栅作为腔镜f - - p 腔 图2 7 中的腔镜由b r a g g 光纤光栅作为反馈元件【3 6 1 ，实现了激光器的全光纤集成。 b r a g g 光栅对腔内激光相当于高反射镜，而对于泵浦光则是完全透明的。这种腔结构消 除了腔镜与光纤之间的耦合损耗，而且可以在掺y b 3 + p c f 增益谱内的任意波长处获得窄 线宽的激光输出，并且可望借助光纤光栅的调谐性能实现激光波长的宽带调谐，更适合 于发展为实用化、商品化的器件。 掺稀土双包层p c f 泵浦光 腔镜m l ( f b g l )腔镜m 2 ( f b g 2 ) 匕冷激光输出 图2 7 光纤光栅反馈f p 腔双包层p c f 激光器结构示意图 ( 3 ) 光纤环形镜作为腔镜f p 腔 1 0 第2 章掺y b 3 + 双包层光子晶体光纤激光器的基本原理 图2 8 中用光纤环形镜作为反射镜f p 腔p c f 激光器结构示意图。环形镜是将 耦合器的两个输出端口连接在一起形成的，它的作用相当于s a g n a c 干涉仪，可以反射 激光而透射泵浦光。光纤环形镜的反射率由分束比厂控制，对于低损耗环形镜，低功率 范围内的反射率r = 4 f ( 1 印。当f = 5 0 时，r - 1 0 0 。由于环形镜对激光和泵浦光 具有不同的分束比，从而使环形镜对激光和泵浦光具有不同的反射率。 泵浦光 掺稀土双包层光纤 腔镜m 1 ( 光纤环)腔镜m 2 ( 光纤环) 图2 8 光纤环反馈f p 腔光纤激光器结构示意图 2 环形腔 环形腔也是p c f 激光器中经常采用的一种谐振腔结构形式。环形腔通常为行波腔， 可以避免激光增益的“空间烧孔效应，有利于获得单色性很好的激光输出，也有助于 激光的稳定性。在环形腔里可以不用反射镜，只用w d m 耦合器和掺杂光纤构成一个环 形结构【3 8 】。为保证激光的单向运行，通常在环形腔内串入一个隔离器( i s o ：i s o l a t o r ) ， 如图2 9 所示。另外，如果掺杂光纤为非保偏光纤，还需要使用偏振控制器( p c ： p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ) ，以消除偏振模竞争。 9 7 6 n m l d 光输出 图2 9 环形腔双包层p c f 激光器结构示意图 另外，根据实际的需要，还有很多其它特殊结构的光纤谐振腔。例如为了对光纤激 光器进行锁模，可以采用“8 ”字形谐振腔【3 9 1 。这里不再赘述。受到泵浦耦合等相关技 术的制约，目前在高功率双包层p c f l 中使用最多的是f p 腔。 1 1 河北大学理学硕士学位论文 2 3 2 泵浦耦合方式 包层泵浦p c f l 的泵清源通常为带有输出尾纤的大功率半导体激光器( l d ) 或l d 阵列。泵浦源与双包层光纤之间有多种的耦合方式，可以分为两大类：一类是端面泵浦； 另一类是侧面泵浦。 1 端面泵浦 双包层光纤激光器最简单和有效的泵浦耦合方式为端面泵浦，它包括两类情况：一 种是用于二色镜作为腔镜的f p 腔，即泵浦光经聚焦后通过二色镜直接入射到内包层 端面，如图2 1 0 ( a ) 所示。v d o m i n i e 等报道的1 1 0 w 掺y b 3 + 双包层光纤激光器就是采用 了这种泵浦耦合方式4 0 1 。另一种是用于泵浦以光纤布喇格光栅作为腔镜的全光纤激光 器，如图2 1 0 ( b ) 所示。 二色镜 ( a ) - 色镜反馈双包层p c f l 的端面泵浦 u ，i u r ”矽r 彳嬲1 赐 泵浦l d聪纛震缀黼臻确黧期院黝i | | | | | i 融群缴翳粉 h m 。幽k b “。s 黜t 名 l d 尾纤双包层p c f ( b ) 光纤光栅反馈双包层p c f l 的端面泵浦 图2 1 0 双包层p c f l 的端面泵浦结构示意图 ( 1 ) 侧面泵浦 侧面泵浦方式的泵浦光从双包层p c f 的侧面耦合进入其内包层，可以通过v 形槽侧 向耦合 3 8 1 、棱镜侧面耦合【4 1 1 、“树杈状”多模光纤侧向耦合【4 2 1 和嵌入反射镜式泵浦耦合 【4 3 】等方式来实现，如图2 1 1 所示。这种泵浦耦合方式避免了在注入端加波长选择光元件 ( 如二色镜、波分复用器等) ，从而可以使掺杂光纤方便地直接和其它光纤熔接。但对 p c f 的微机械加工工艺有很高的要求。 1 2 第2 章掺y b 3 + 双包层光子晶体光纤激光器的基本原理 外包层。 _- 纤芯 内包层。，一一。 内包层一 纤芯 内包层一 外包层 永凋尤 饭砚 、 j ：、j 、t 。十l 、j7 、j ：一j 一? j 、y l 、；：，”。、j 。o 、。心，、”薯 _ _ _ _ _ v 一，7 ? ? 、。、”t 一：? ? 、_ ? ? ，j 、- 、：，、 ，- ，、j e 心、? ：? ：咚t 、卜? 、：一：j 、i o ? 。- ：， ( a ) v 形槽侧面耦合 双包层p c f 纤芯 内包层一一一 ( b ) 棱镜侧面耦合 ( c ) “树叉状”多模光纤侧面耦合 绛鲵凝 l产凝 ( d ) 嵌入反射镜式泵浦耦合示意图 图2 1 1 双包层p c f l 侧面泵浦结构示意图 1 3 河北大学理学硕士学位论文 2 4 光子晶体光纤激光器的功率传输方程 本节推导出p c f l 的功率传输方程，以描述连续波高功率双包层p c f l 的功率特性。 2 4 1 功率传输方程的一般形式 为考察p c f l 的功率传输特性、增益特性、以及输出功率和能量转化效率等，建立 如图2 1 2 所示的理论模型。本文采用p c f 为折射率引导型双包层p c f ，它可以等效成一 段长度为l 的阶跃型双包层光纤，其纤芯半径为a ，折射率为n 。，而包层折射率为n 。 在端面泵浦方式下，设泵浦光耦合处为坐标原点( z = 0 ) ，p 。+ ( z ) 和p 。一( z ) 分别代表p c f 内前向( 即从z = o z = l ) 和后向( 即从z = l - - - - z = 0 ) 传输的激光信号功率。其中r 。 代表泵浦光注入端对p c f 内信号光的有效反射率，r 。代表激光输出端的有效反射率，它 们由腔镜的反射率和p c f 端面的耦合损耗等因素综合决定。 泵浦光 + z = 0z 2 l 图2 1 2 线形腔光纤激光器的理论模型 以n 。+ ( v ，z ) 和n 。一( v ，z ) 代表频率间隔v + dv 和位置间隔z + d z 内第i 个模的光子 数，“+ ”和“一”号分别代表前向和后向传输的光子，它们满足下述演化方程1 掣：q ( 哪) ，z 撕，z ) +