（光学专业论文）掺镱光子晶体光纤激光器及放大器研究.pdf

l l ll l l l l l l l l l l l l i i i l l f r l l l l l l1 1 17 9 8 0 4 6 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：高栏翮于阻，匕火l 卜侣笠自：何j 1 u ， 为og 年厂月2 7 日 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： j_-_-_-_-_。_。_-_-_。_1_。_1。h_“-。-_。_。-。-_。一 i 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密l o 年( 最长l o 年，可少于1 0 年) l 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 1 一。 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，均已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：高栏厢 加口髻年 歹月叩日 摘要 摘要 光子晶体光纤( p c f ) 以其独特的波导结构和优良的光学特性，引领了高性能 光纤有源器件的新方向，开展p c f 及其激光器和放大器的研究具有重要的学术 价值和的应用前景。基于实验室条件，本文在可调谐掺镱光子晶体光纤激光器 ( p c f l ) ，高功率、宽调谐范围、窄线宽掺镱p c f l ，掺镱光子晶体光纤放大器方 面进行了深入系统的研究，主要内容包括： 1 后向输出结构外腔可调谐掺镱光子晶体光纤激光器的研究 采用掺镱大膜面积p c f 构建了三种外腔结构( l i t t r o w , l i t t m a n , l i t t r o w l i t t m a n ) 的后向输出可调谐p c f l 。比较了不同腔结构下后向输出与前向 输出结构p c f l 在调谐范围、输出功率、输出激光线宽等方面的差异，并对引起 变化的原因进行了深入探讨。由于较高的输出耦合比，后向输出l i t t r o w 结构 p c f l 泵浦功率为6 2 3 w 时，在1 0 8 0 n m 处得到最大输出功率2 1 7 9 w ，斜率效率 5 1 9 ；与前向结构相比，后向输出结构使调谐范围向短波方向有效扩展。 2 高功率、宽调谐范围、窄线宽掺镱光子晶体光纤激光器的研究 在后向输出可调谐掺镱p c f l 的基础上，优化了泵浦光耦合系统，泵浦功率 1 2 0 9 w 时，在调谐波长1 0 8 0 n m 处得到最大输出功率5 5 1 w ，对应的斜率效率 为5 7 3 ；同时，对光纤斜角端进行更大角度1 0 0 的切割，使调谐范围有了很 大突破，对应的最大调谐范围1 0 3 5 n m - - 1 1 0 9 6 n m 共7 4 4 n m ，整个调谐范围内 边模抑制比大于3 0 d b 。 针对掺镱光纤中的再吸收效应和增益损耗特性，适当改变增益光纤长度和 输出结构，分别实现了调谐波长向短波和长波方向的扩展。选用1 2 0 c m 长掺镱 p c f 构建可调谐p c f l ，最大调谐范围1 0 1 6 8 n m - 1 0 8 7 4 r i m ，向短波方向扩展了 1 8 2 n m ；在后向输出结构的输出端加全反镜实现前向输出可调谐p c f l ，最大调 谐范围1 0 3 6 r i m - - 1 1 2 5 n m ，向长波方向扩展了1 5 n m 。 对l i t t r o w - l i t t m a n 结构可调谐p c f l 输出激光3 d b 线宽变化规律进行了深 入系统研究。随着光栅入射角度的增加，输出激光线宽逐渐被压窄，在光栅入 射角度8 7 。时，输出激光线宽被压窄到0 0 2 6 9 n m ，并且随时问稳定性良好。 3 掺镱光子晶体光纤放大器的研究 摘要 首先，自行研制全光纤结构小功率种子源，种子源输出波长1 0 4 0 3 9 6 n m ， 最大输出功率8 8 1 m w ，斜率效率8 1 1 9 。然后，采用透镜组耦合系统，将种 子源由数值孔径0 2 2 ，直径1 0 u m 的单模光纤纤芯，耦合进数值孔径为0 0 5 ，直 径2 3 u m 的p c f 纤芯，耦合效率达到2 9 6 。泵浦功率为8 2 1 5 w 时，得到1 0 2 1 w 的放大信号输出，对应的增益为9 1 1 3 d b 。由于泵浦源功率较低，放大器没有出 现增益饱和现象，继续增加泵浦光功率将得到更高功率的放大信号输出。 关键词：光子晶体光纤，激光器，放大器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) ，w i t hi t s u n i q u ew a v e g u i d es t r u c t u r ea n d e x c e l l e n to p t i c a lp r o p e r t i e s ，g i v ean e wm e t h o dt oc o n s t r u c ta c t i v ef i b e rd e v i c e s t h e s t u d yo n p c f 、p h o t o n i cc r y s t a lf i b e rl a s e r ( p c f l ) a n dp h o t o n i ec r y s t a lf i b e ra m p l i f i e r h a v eg r e a ta c a d e m i cv a l u ea n da p p l i c a t i o no u t l o o k b a s e do no u rl a b sc o n d i t i o n s ， d e e pa n ds y s t e m i cr e s e a r c hh a v eb e e nf o c u s e do nt h et u n a b l ey b 3 + - d o p e dp c f l ，h i g l l p o w e ry b 3 + - d o p e dp c f l ，n a r r o wl i n e w i d t hy b 3 + - d o p e dp c f l , a n dy b 3 + - d o p e dp c f a m p l i f i e r 1 1 1 em a i ns u b j e c t sa r el i s t e da st h ef o l l o w i n gd e s c r i p t i o n ： 1 e x t e r n a lc a v i t yt u n a b l ey b - d o p e dp c f lw i t hb a c k w a r do u t p u tc o n f i g u r a t i o n b a s e do nl m ap c f , t h et u n a b l ep c f lw i t ht h r e ed i f f e r e n te x t e r n a lc a v i t i e s ( l i t t r o w , l i t t m a na n dl i t t r o w - l i t t m a n ) h a v eb e e ns t u d i e d w em a i n l yf o c u s e do u r a t t e n t i o no nt h ed i f f e r e n c eo fc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h et u n a b l er a n g e ，o u t p u tp o w e r , s l o p ee f f i c i e n c ya n d3 d bl i n e w i d t ha m o n g t h r e ec a v i t i e s b e c a u s eo ft h eh i 曲o u t p u t c o u p l i n ge f f i c i e n c yi nl i t t r o wc o n f i g u r a t i o np c f l ，w h e nt h el a u n c h e dp u m pp o w e ri s 6 2 3 wa n dt h et u n i n gw a v e l e n g t hi s10 8 0 n m ，t h eb i g g e s to u t p u tp o w e ro f2 17 9 w w i t ht h es l o p ee f f i c i e n c yo f51 9 i so b t a i n e d c o m p a r e dt ot h ef o r w a r do u t p u t c o n f i g u r a t i o np c f l ，t h et u n a b l er a n g es p r e a dt os h o r t e rw a v e l e n g t h 2 h i g h - p o w e r , w i d e rt u n a b l er a n g e ，n a r r o wl i n e w i d t hy b + - d o p e dp c f l w i t ht h eo p t i m i z e dp u m pc o u p i n gl e n s ，w h e nt h el a u n c h e dp u m pp o w e ri s 1 2 0 9 wa n dt h et u n i n gw a v e l e n g t hi s1 0 8 0 n m ，t h eb i g g e s to u t p u tp o w e ro f5 5 1 w 谢t l lt h es l o p ee f f i c i e n c yo f5 7 3 i so b t a i n e d o n eo ft h ef i b e re n di sc l e a v e dw i t h t h ea n g l eo f10 0a tt h es a m et i m e ，a n dt h et u n i n gr a n g ef r o m10 3 5 n mt o110 9 6 n mi s o b t a i n e d , 、加廿1t h es n ro f m o r et h a n3 0 d bd u r i n gt h eh o l et u n i n gr a n g e w i d e rt u n i n gr a n gi so b t a i n e dw i t hs u i t a b l ey b 3 + - p c fl e n g t ha n da p p r o p r i a t e c o n f i g u r a t i o n w h e nt h ef i b e rl e n g t h i s12 0 e r a ，t h et u n i n gr a n g ei s1016 8 n m - 、, 10 8 7 4 n m ，w i t hl8 2 n mp e r v a s i o nt os h o r t e rw a v e l e n g t h a n di nf o r w a r do u t p u t c o n f i g u r a t i o n ，t h et u n i n gr a n g eo f10 3 6 n m 、 l12 5 n mc a nb eo b t a i n e d ，w i t h 15 n m s p r e a dt ol o n g e rw a v e l e n g t h l i n e w i d t ho fl a s e rf r o ml i t t r o w - l i t t m a n c o n f i g u r a t i o np c f lh a v eb e e n i i i a b s t r a c t d i s c u s s e d 3 d bl i n e w i d t ho f0 0 2 6 9 n mc a nb eo b t a i n e dw i t ht h eg r a t i n gi n s e r ta n g l eo f 8 7 0 ，a n dt h ef l u c t u a t i n gw i t ht i m ei sv e r yl i t t l e 3 h i g h - p o w e ry b 3 + d o p e dp c fa m p l i f i e r b yac o u p l eo fl e n s e s ，2 9 6 o ft h es e e dp o w e rc a l lb ec o u p l e di n t ot h ec o r eo f t h ep c fw i t ht h en ao f0 0 5 w h e nt h el a u n c h e dp o w e ri s8 215 w , t h eo u t p u tp o w e r o f t h ep c f a m p l i f i e ri s1 0 2 1 彤w i t ht h eg a i no f 9 11 3 d b i so b t a i n e d 。 k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , f i b e rl a s e r , f i b e ra m p l i f i e r i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 第一节光子晶体光纤简介1 1 1 - 1 光子晶体光纤概念及其分类1 1 1 2 光子晶体光纤的特性与应用2 1 1 3 光子晶体光纤研究进展5 第二节光纤激光器和光纤放大器的研究进展6 1 2 1 光纤激光器的研究进展6 1 2 2 光纤放火器的研究进展1 0 1 2 3 光子晶体光纤及其激光器和放火器的国内研究进展1 3 第三节论文的主要研究工作1 3 第二章后向输出外腔可调谐掺镱光子晶体光纤激光器的研究1 5 第一节实验装置及仪器选择1 5 2 1 1 实验装置1 5 2 1 2 半导体激光泵浦源的选择1 7 2 1 3 透镜耦合系统1 8 2 1 4 二色镜1 9 2 1 5 增益光纤1 9 2 1 6 闪耀光栅2 0 2 1 7 测姑仪器2 0 第二节后向输出可调谐光子晶体光纤激光器实验结果及分析2 1 v 目录 2 2 1 输出功率特性及其随波长的稳定性2 l 2 2 2 调谐范围及输出光谱特性2 3 第三节小结2 5 第三章高功率、宽调谐范围、窄线宽掺镱光子晶体光纤激光器的研 究2 6 第一节高功率掺镱光子晶体光纤激光器2 6 3 1 1 输出光谱特性2 7 3 1 2 输出功率特性2 7 第二节宽调谐范围掺镱光子晶体光纤激光器2 9 3 2 1 长波长可调谐掺镱p c f l 2 9 3 2 2 短波长可调谐掺镱p c f l 3 0 第三节窄线宽掺镱光子晶体光纤激光器3 2 3 3 1 掺镱光子晶体光纤激光器输出特性随光栅入射角度的变化3 2 3 3 2 窄线宽掺镱p c f l 输出特性研究3 5 第四节小结3 7 第四章掺镱光子晶体光纤放大器的研究3 9 第一节全光纤种子源( 小功率掺镱光纤激光器) 的研制3 9 4 1 1 实验装置4 0 4 1 2 种子源输出功率特性4 l 4 1 3 种子源输出光谱特性4 2 第二节掺镱光子晶体光纤放大器4 2 4 2 1 掺镱光子晶体光纤放大器实验结构4 2 4 2 2 泵浦源的选择4 4 4 2 3 种子源的耦合4 4 4 2 4 掺镱光子晶体光纤放大器实验结果与讨论4 6 第三节小结5 0 v 1 目录 总结5 1 参考文献5 3 致谢6 2 个人简介攻读硕士期间发表的论文6 3 v i i 第一章绪论 第一章绪论 随着人类对信息的需求与同俱增，光通信技术以其巨大的宽带潜力和无与 伦比的传输性能在通信领域，特别是在长距离大容量通信中已经占据了不可替 代的重要位置。光纤作为光通信系统中最基础的传输媒质更是不断推陈出新， 如双包层光纤b - 2 l ，纳米光纤【3 1 和光子晶体光纤【4 q 等。 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 这一概念可以追溯到1 9 8 7 年。当时人们发现，同 半导体具有电子带隙相类似，周期性变化的介电结构，即光子晶体也具有能带 隙。光子带隙的存在可以改变光在其中的传播，因而人们提出光子晶体可以应 用于光纤技术，这种光纤被称为光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , p c f ) 。它与 传统光纤相比，具有很多显著优点，基于光子晶体光纤的有源器件近年来成为 光通信领域的一个研究热点，在制造技术、理论研究方法及其应用方面不断取 得新的进展。 第一节光子晶体光纤简介 1 1 1 光子晶体光纤概念及其分类 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 ) 作为二维的光子晶体，由具有随 空间周期性变化介电常数的光学微结构材料，沿纵向均匀排列构成。也称多孔 光纤( h o l e yf i b e r , h f ) 或微结构光纤( m i c r o s t r u c t u r ef i b e r , m f ) ，其基质可以是纯石 英或聚合物，包层折射率受到波长量级的周期性调制，而纤芯由破坏了折射率 周期性调制的缺陷构成，光通过改进的全内反射或光子带隙效应被束缚在纤芯 中传导。 分为两大类：( 1 ) 折射率引导型p c f ( i g p c f ) ，该类光纤的包层中含有许多 沿轴向伸展的空心管，p c f 的纤芯为( 掺杂的) 石英，纤芯同周围周期性区域存 在有效折射率差，引起全内反射，光束将按照改进的全反射原理传输，因此折 射率引导型光纤也称为全内反射型光子晶体光纤( t i r p c f ) 。这种光纤端面如图 1 1 ( a ) 所示，传输原理如图1 1 ( b ) 所示。虽然折射率引导型光子晶体光纤中没有 第一章绪论 出现光子带隙，导光机制也还是全内反射，但它有更高的设计灵活性、更大的 波导色散、更强的对光控制作用，因此它仍然具有传统光纤无法实现的诸多优 越特性。 ( 2 ) 光子带隙p c f ( p b g p c f ) ，与折射率引导型p c f 不同的是纤芯的折射率低 于包层的等效折射率，比如纤芯部分为空心管。该类光纤的传输原理是光子禁 带效应( p h o t o n i cb a n d g a pe f f e c 0 ，也有人认为这是周期结构多重干涉的独特现象。 这种端面如图1 2 ( a ) 所示，传输原理如图1 2 ( b ) 所示。光子带隙型光子晶体光纤 对光的传输具有极强的波长依赖性，只有位于带隙内的光能被传输，其他的光 在传输的初始阶段就被泄漏掉。光在其中传输需要满足两个条件：包层在各个 方向存在完全的光子带隙；处于这些禁带的频率在缺陷处存在局域模。 图i 1 ( a ) i g - p c f 的端面图图1 1 ( b ) i g p c f 的传输原理图 图1 2 ( a ) p b g p c f 的端面图图1 2 ( b ) p b g p c f 的传输原理图 1 1 2 光子晶体光纤的特性与应用 p c f 具有可以灵活设计的微孔结构，与常规光纤相比有许多“奇异 特性， 有效地扩展和增加了光纤的应用领域m ( 一) 色散特性 同普通光纤类似，光子晶体光纤的色散可以近似的看成材料色散和波导色 2 第一章绪论 散之和。在普通光纤中色散主要由石英的材料色散决定；由于空气中材料色散 非常小，微结构光子晶体光纤色散主要由波导色散决定，所以只要改变光子晶 体光纤的结构参数就可以设计出具有灵活色散特性的光子晶体光纤，这一性质 在色散控制和非线性光学等领域具有重要的应用价值。例如在包层区域引入不 同大小的空气孔结构或两个纤芯，设计出具有优良性质的色散平坦和超平坦散 射的光子晶体光纤【& 1 3 】，灵活设计纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔间距 可以设计出正色散、负色散或近似零色散光子晶体光纤。因此光子晶体光纤有 望代替普通的色散补偿光纤，成为新一代色散补偿光纠1 4 1 。普通石英单模光纤 的零群速度色散( g v d ) 一般在1 2 7 hm 以上。g 6 5 3 标准零色散位移光纤和g 6 5 5 标准非零色散位移光纤的零色散点都向长波方向移动。利用p c f 包层的特殊结 构，适当增大气孔直径，可使零色散点向短波方向位移，直至u s 0 0 - 7 0 0 n m 。用 这一特性，可以制成可见光波段的全光纤孤子激光器和产生从蓝光直到红外波 段的超连续谱。 ( 二) 模式特性 p c f 包层折射率强烈依赖于波长，经过适当设计，可以实现“无截止单模” ( e n d l e s s l ys i n g l em o d e ) i s - 1 6 1 运转，这实际上是指截止波长很短，可在近紫外 到近红外全波段维持单模运转。这是由于p c f 包层的特殊结构造成的。众所周 知，对纤芯半径为a 的阶跃折射率光纤，其截止频率为l ，= ( 2 n n 2 ) ( n 。2 一刀。2 ) “2 ， 其中名为波长，i l c 和i l d 分别为纤芯和包层的折射率。当必2 4 0 5 时才能维持单 模运转。由于材料和工艺的原因，普通单模光纤的截止波长一般大于1l a i n 。对 于实心多孔的p c f ，在较长波长工作时，光束近场分布的边缘扩展到纤芯附近 的气孔区域，此时包层折射率n d 是s i 0 2 和空气按两者结构加权的平均。当波长 减小时，光束截面随之收缩，逐渐脱离气孔区域，向s i 0 2 芯收拢。这就引起i l d 的增加。从截止频率式可以看到，芯包折射率差( i l c i l d ) 的减小，允许更小的波 长旯满足v 0 5 ) 的内包 层设计以及全波段单模运转特性使其可以成为优异的光纤激光器有源介质，其 工作波段和可能达到的高功率水平是普通有源单模光纤不可比拟的。由于包层 多孔结构形成的较高包芯折射率差，可使光束有效地限制在纤芯中部，从而 降低了传输损耗。并且大模面积和大数值孔径的存在，有利于泵浦光的耦合和 吸收，从而减少光纤长度，减小非线性效应。目前，研发的各种掺稀土元素的 光子晶体光纤激光器( p c f l ) 和光子晶体光纤放大器加快了p c f 的实际应用的步 伐。它在诸如光通信、科学研究、军事科学、光学测量、精密仪器加工等领域 有着广阔的应用前景。 1 1 3 光子晶体光纤研究进展 光子晶体的概念最初是1 9 8 7 年分别由s j o h n 和e y a b l o n o v i t c h 等人根 据传统的晶体概念类比而提出来的【3 3 3 4 1 。类似于半导体和绝缘体中存在电子禁 带，可以制成在一定波长间隔内某些方向上或全部方向上禁止光传播的材料，这 种材料被称为光子带隙( p h o t o n i cb a n dg a p s ) 材料，又常称为光子晶体 ( p h o t o n i cc r y s t a l ) 。关于光子晶体光纤的研究和制备始于1 9 9 5 年，英国南安 普顿大学光电研究所的j c k n i g h t ，t a b i r k s 等人组成的课题组和丹麦 技术大学电磁系的s t i ge b a r k o u ，j e sb r o e n g 等人组成的课题组，他们主要 进行了两种类型的光子晶体光纤的研究：具有石英一空气基质包层的实芯石英光 纤【3 5 3 6 】；具有石英一空气光子晶体包层的空芯石英光纤【3 7 - 3 9 1 。 由于光子晶体光纤的性质很大程度上依赖于其结构，因此通过设计各种几 何结构，可以设计出不同光学特性的折射率引导型光子晶体光纤。例如使光纤 横截面上两个正交方向的空气孔不对称排列，设计出高双折射保偏光纤【4 0 训l 、 5 第一章绪论 绝对单模光纤【4 2 奶】；增大空气和石英折射率差，获得高非线性光纤【删；大模面 积光纤、双包层光子晶体光纠4 引。在光子带隙型光子晶体光纤的研究领域中， 最早的蜂窝结构光子带隙光纤由r j r u s s e l l 研究组的k n i 星m 等人于1 9 9 8 年首先研 制出来【矧，1 9 9 9 年该小组的c r e g 觚等人首先制造出空气传导光子带隙光纤【4 刀。 还有一种叫做b r a g g 光纠4 9 1 ，不同于以上采用二维横向对称的光子带隙光纤， 它是采用同心圆的一维周期结构光纤。除了以上利用低折射率空气纤芯实现带 隙传导型光子晶体光纤外，还可以通过提高周期性包层结构的有效折射率来实 现光子带隙传导，在这种光纤中，通过温度等外界因素改变填充物质的折射率， 可以显著改变光子带隙的中心频率和带宽，从而改变光纤的传导性质，因此这 种光纤适用于制造可调节的光纤器件【删。2 0 0 3 年初世界光纤通信会议( o f c ) 上， 日本电报电话公司报道了他们研制出的衰减为0 3 8 d b k m 的超低衰减、较长的 p c f 引j ，2 0 0 4 年他们又报道了在波长1 5 6 0 1 5 7 5 n m 范围内损耗为1 7 2 d b k m 的光子 晶体光纤【5 2 1 2 0 0 6 年1 月英国b a t h 大学的研究小组首次提出并拉制出同时具有全 内反射和光子带隙两种传导机制的光子晶体光纤。 第二节光纤激光器和光纤放大器的研究进展 光纤激光器和光纤放大器都是利用掺稀土光纤中的光放大效应，在此领域 的研究机构中，美国光学公司a t & t 5 3 - 5 4 】前苏联【5 5 1 、英国南安普顿大学的电子工 程和物理系5 硒力、英国通信研究实验室( b t r l ) 【5 8 5 9 1 等都扮演了重要的角色，其 它在这个领域中发表过研究成果的研究机构还有惠普、德国汉堡的技术大学、 日本m 盯、h o y a 、住友、三菱，p o a r o i dc o u p r a t i o n 、斯坦福大学和g t e 、法国 a l c a t e l 等。国内从2 0 世纪8 0 年代末，上海硅酸盐研究所、北京建材研究所、天津 4 6 所、武汉邮电研究院、清华大学、北京邮电大学、南开大学、深圳大学、上 海科技大学、华南师范大学等都开始了光纤激光器和放大器的研究工作。 1 2 1 光纤激光器的研究进展 2 0 世纪8 0 年代后期开始，y b 3 + 离子掺入石英或氟化物光纤中，掺镱光纤开始 倍受人们的重视。与其他稀土掺杂光纤相比，玻璃基质中的镱离子为准四能级 结构，亚稳态寿命较长，掺镱光纤有源器件具有很高的量子效率和很低的激光 阈值；另外镱离子只有两个简并能级，不存在激发态吸收效应，高掺杂浓度下 6 第一章绪论 也不会出现浓度焯灭现象，可以采用高掺杂浓度短光纤实现高光光转化效率和 高输出功率，而不会出现非线性效应，掺镱光纤成为高功率光纤激光器的理想 增益介质。 1 2 1 1 双包层光纤激光器 包层泵浦技术的出现解决了泵光向常规单模光纤耦合的难题，允许泵浦光 和信号光在不同的通道中传播，极大地提高了泵光与光纤的耦合效率，促进了 高功率光纤激光器件的研究和发展。 ( 一) 普通双包层光纤激光器 为了避免圆形内包层光纤中的螺旋光效应提高泵浦吸收效率，需要对光纤 进行特殊的内包层形状设计、优化内包层与纤芯的面积比、偏芯结构设计【6 3 】 等。 1 9 9 8 年，在9 7 c l e o 会议上，美国p o l a r o i d 公司的m m u e n d c l 等人报道了 一种掺y b 3 + 双包层光纤激光器，他们用四个光纤耦合的9 1 6 n m 波长的激光二极管 阵列，以5 4 4 w 的功率泵浦掺y b ”双包层光纤，在1 1 0 0 n m 波长上获得了3 5 5 w 的 连续激光输出【删；2 0 0 0 年，v d o m i n i e 等人报道了超高功率掺y b 3 + 双包层光纤激 光器的研究结果，他们用四个4 5 w 的半导体激光二极管阵列组成总功率为18 0 w 的泵浦源，在1 1 2 0 n m 得到1 1 0 w 的激光输出【6 5 】，如此高的功率水平没有发现对光 纤性能的任何损伤。2 0 0 4 年，英国南安普顿大学的n i l s s o n 等单端泵浦掺镱双包 层光纤实现了1 0 9 u r n 波长6 1 0 w 功率输出，斜率效率8 2 ，m 2 = 2 7 【的1 1 同年他们 又采用双向泵浦结构实现了1 3 6 k w 的激光输出，斜率效率8 3 ，m 2 = 1 4 1 6 7 。 ( 二) 高功率掺镱双包层光子晶体光纤激光器 用厚度小于传输波长的硅条在p c f 空气孔包层周围悬置硅网，构成双包层结 构p c f ，大大提高了p c f 内包层的数值孔径，使泵浦吸收效率和耦合效率有效提 高。大模面积设计可以大大减小光纤中的非线性效应，实现比常规光纤更高的 传输功率。p c f 全二氧化硅玻璃结构，允许光纤承受更高的温度。总之，掺镱双 包层p c f 灵活的设计技术、优异的特性，成为构建高性能光纤有源器件的优良载 体。 2 0 0 0 年，w j w a d s w o r t h 等采用钛蓝宝石激光器泵浦一段8 1 m m 长掺镱p c f ， 在入射泵浦功率3 3 0 m w 时，得到1 0 4 0 n m 处2 2 7 m w 的激光输出【6 引，标志着第一台 p c f l 的诞生。2 0 0 1 年，k f u r u s a w a 等人采用9 1 5 n m 波长l d 泵浦双包层p c f 实现了 1 2 w 连续输出【6 9 】。2 0 0 3 年1 月，w a d s w o r t h 等人报导了利用大模面积空气包层p c f 7 第一章绪论 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 9w ，斜率 效率3 0 ，实现单横模运转，所采用的p c f 纤芯直径为1 5 岬，内包层数值孔径 大于0 8 1 7 0 l 。2 0 0 3 年3 月，j l i m p e r t 等人和丹麦c r y s t a l f i b r e 公司合作报导了 输出波长1 0 7 0n m ，输出功率达到8 0w ，斜率效率为7 8 的高功率双包层p c f l 7 1 】。 同年1 1 月，他们采用4 m 长的p c f 实现了2 6 0 w 的单模激光输出，单位光纤长度承 受的平均功率为6 5 w ，斜率效率7 3 t 7 2 1 。2 0 0 5 年，l i m p e r t 等人采用一段4 8 c m 掺 镱大模面积p c f ，研制了1 2 0 w 单模激光输出线形腔p c f l 。同年，a t u n n e r m a n n 等实现了1 5 3 k w 的激光输出【7 3 】。2 0 0 5 年，k i me h a n s e n 等报道了全光纤化p c f l ， 单模最大输出功率1 6 0 w ，激光波长1 0 7 4 n m ，线宽0 2 n m 7 4 j 。2 0 0 7 年，s c h r e i b e l 等采用双端泵浦方式实现了2 5 3 k w 激光输出【7 卯，斜率效率高达7 5 ，在输出为 2 k w 时m 2 1 4 。 欲得到更高输出功率的p c f l ，可以利用非相干合成技术或光束合成 s p e c t r a lb e a me o m b i n i n g ( s b c ) 技术，将多路p c f l 合成输出。2 0 0 7 年，美国的 t h o m a sh l o r u s 等人利用此技术得到5 2 2 w s b c 激光输出，m 2 = 1 2 2 ，光束合成 效率高达9 3 。同年，j e n sl i m p e r t 等人对自组织s b c 技术进行了详细的研究和 理论分析【7 6 】。实验结构图和所用的p c f 如图1 2 所示： 图1 2 自组织s b c 实验结构图和l m a 保偏p c f 截面图 自组织s b c 是由多路窄线宽p c f l 组成的，每一路激光器形成的光束经透镜准 直后由闪耀光栅进行合束。以掺镱p c f 为增益介质，由于镱离子的发射谱覆盖 1 0 2 0 n m - 1 1 0 0 n m 光谱范围，可以在如此宽的光谱范围内增加单路激光器的个数， 通过自组织s b c 方式有望使输出功率达到l o o k w 。这标志着高功率p c f l 将跻身于 高功率激光器行列，可以适应不断发展的科研和工业对高功率、高亮度激光器 8 第一章绪沦 的；需求。 1 2 1 2 外腔可调谐光纤激光器 稀土掺杂光纤激光器有很宽的增益带宽，采用适当的波长选择方法可以实 现增益谱范旧内的调i 皆激光输出，即可调l ! f 光纤激光器。光纤激光器的调谐方 式非常多样化，如偏振凋谐【7 7 1 、温度调谐【弛1 、腔损耗调谐1 7 9 1 色散棱镜调谐【8 0 1 、 滤波器调谐【8 卜8 2 1 、光栅调谐【8 3 1 等。外腔可凋谐光纤激光器一般利用闪耀光栅作 为调谐元f ， 二，通常使用的外腔结构有l it t r o w 外腔【8 4 1 、l it t m a n 8 5 】外腔、 l it t r o w - l it t m a n 外腔6 1 。利用闪耀光栅作为调谐元f ， ：的可调i 旨光纤激光器，具 有调谐范刚耀、输出线宽窄、偏振度高、i 殳计灵活、高功率等优点，在光纤激 光器的研究和应用方面具有重要的意义。 1 9 8 6 年，r j m e a r 对可调谐单模光纤激光器进行了理论和实验上的研究【g 丌。 通过对l i t t f o w 外腔结陶可调谐唯模光纤激光器的实验研究，褂到的掺n d 3 + 光纤 激光器的调i 皆范围达8 0 n m ；由于掺e r 3 + 光纤荧光谱中有1 5 3 2 n m 和1 5 5 0 n m 两个 峰值，所以得到的掺e r 3 + 光纤激光器的调惜范围也有两部分组成，分别为1 4 n m 和1i n m 。对于光栅引起的线宽窄化现象作行也进行了探讨。1 9 9 3 年，y s h i 等 人报道了l i t t m a n 外腔可调谐n ，j 掺p r 3 + 光纤激光器【鹕】。微训输出耦合镜，在 1 0 0 0 n m 1 0 8 6 n m 的范削内得到调i 皆的激光输出。1 9 9 9 年，j a a l v a r e z c h a v e z 采用双向泵；| | i 掺镱双包层光纤激光器【8 9 1 实现了功率超过6 5 w 的输出，调谐范围 4 7 n m ，激光线宽小于0 2 n m 。2 0 0 0 年，n j c l i b a t i q u e 等人采川l i t t r o w 结构， 对掺e r 3 + 氟化物双包层光纤激光器的调谐输出进行了实验研究p o j 。针对l i t t r o w 结陶中由于旋转光栅造成的输出光束方向变化的问题，他们采川的一个4 5 0 的二 色镜，二色镜对7 9 0 h m 的泵浦光高透，对2 8 岬附近的激光高反，从二色镜得 到的后向输f 【j 光的方向不再变化。2 0 0 1 年，j k s a h u 等在后向输出结构的基础 上，采用双向泵浦方式，实现了调谐范围ll o n m 、瓦j 建级的激光输出【9 1 】；同年， 他们同一实验组的r s e l v a s 等报道了双向泵浦掺钕光纤的调谐结果，最大输出 功：窖大于0 r 3 w ，调谐范围大于6 0 n m 9 2 l 。2 0 0 2 年，m a u e r b a c h 采用掺镱双包层 光纤作为增j 矗介质，构建了环形舱可调谐光纤激光器一3 1 ，实现了1 0 3 2 n m - 1 1 2 4 n m 训i 皆激光输，激光线范小于2 5 ( ；h z ，最火输出功率达剑i o w 。2 0 0 4 年，m l a r o c h e 双向泵浦l 铒镱共掺d 行内包层光纤【9 4 1 ，凋谐范1 5 6 2 - 1 6 2 7 n m ，最高输出功 率3 0 w 。2 0 0 5 年，f a b i 0d it e o d o r o 等利川后向输结构实现了掺镱光子晶体 光纤1 0 2 0 - 1 0 5 0 n t o 调谐输出【9 5 1 ，j 4 高输出j 力率1 4 w ，牲个调谐范内激光偏振度 9 第一章绪论 大于9 6 。2 0 0 6 年至2 0 0 7 年，南开大学在国家自然科学基金和高等学校博士点 基金的支持下，也开展了可调谐掺镱光子晶体光纤激光器方面的研究工作9 6 。9 7 1 ， 对前向输出结构l i t t r o w 外腔、l i t t m a n 外腔、l i t t r o w - l i t t m a n 外腔调谐结构 进行了详细的研究和对比分析。 1 2 2 光纤放大器的研究进展 光纤放大器改变了传统的光一电一光中继方式，能够直接放大信号光，实 现光一光转化，不但提高了通信传输效率，还具有无冷却系统、结构紧凑、输 出光束质量好等优点。 1 2 2 1 掺铒光纤放大器的发展 自1 9 8 5 年以来，掺铒光纤放大器( e d f a ) 在通信技术领域就有很好的商业价 值，按其工作波长可以分为c 波段、l 波段、c + l 波段、和s 波段。 c 波段e d f a 发展最早也最成熟，主要研究在选择合适的铒光纤长度、泵浦功 率和泵浦方案上【】；l 波段e d f a 的放大机理可以认为是s t a r k 能级内部多声子跃 迁使得短波长向长波长转移能量眇】，l 波段e d f a 不仅增加了传输波段带宽，还能 使用色散位移光纤建立w d m 传输系统，而不会受到四波混频等非线性效应的限 制；c + l 波段增益平坦e d f a 的研究，主要是用分支结构把c 和l 波段信号先用耦合 器分离，单独进行放大，然后用合波器合并，使得两个波段的放大器分支的增 益基本相等【啪】。2 0 0 6 年，j o 鑫0b a t i s t ar o s o l e m ，a n t o n i oa m a u f ij u r i o l l o ，r o b e r t o a r r a d i 利用掺铒光纤实现了s 、c 、l - - - 个波段的放大【m ，后来又发展了线形腔、 环形腔等e d f a 。2 0 0 5 年，本实验室的陈胜平博士用一个低功率l 波段自发辐射种 子源和一个高功率铒镱共掺光纤放大器，采用双程后向泵浦方式，实现了瓦量 级超荧光输出【1 0 2 l ，该结果得到国际同行