双包层高数值孔径掺Yb 光子晶体光纤

1.1论文研究目的和意义本论文将研制的双包层高数值孔径掺Yb3+光子晶体光纤是一种由具有光子禁带效应的二维光子晶体做内包层，用掺Yb3+的激光玻璃做纤芯，进行导光的光纤。这种光纤的外径与普通光纤一样，但沿包层的轴向拥有许多空气孔道，并要求包层中的空气孔呈类似于晶体中原子排列的周期性分布。由于光纤内包层的设计有一个大模场直径的单模纤芯,在传送高功率激光的同时,不产生非线性效应，光纤的损伤阈值也更高，这样就保证了其极高的光束质量，使光子晶体光纤具有广阔的应用前景。Yb3+离子能级结构简单,只有基态2F7/2和激发态2F5/2,没有激发态吸收(ESA)和多声子吸收。Yb3+掺杂激光玻璃有较宽的吸收光谱(850〜llOOnm)和荧光光谱(900~1200nm),可作为飞秒超短脉冲激光和可调谐激光的工作物质;它储量效率高,荧光寿命长,在半导体列阵泵浦的高功率激光装置中具有很大的应用潜力。对于常规的双包层光纤激光器，一般采用大模面积光纤以避免由于纤芯中光强过大而造成的损伤，但是为了保持单模又需要在增大纤芯尺寸的同时，减小数值孔径，这样就使弯曲损耗增大。而且纤芯尺寸和数值孔径的极值还要受到折射率差的精确控制的限制，从而限制了常规双包层光纤激光器的发展。光子晶体光纤则从另一途径解决了这一限制。我们采用硅酸盐玻璃作为光纤基质，玻璃光纤和石英光纤相比，普遍具有熔点低、机械强度小，膨胀系数高、折射率大的特点。掺镱玻璃光纤作为光纤激光器的增益介质主要有两个优点：1)玻璃光纤中的稀土离子掺杂浓度普遍高于石英光纤1〜2个数量级；2)稀土离子在玻璃光纤中的光谱带宽和受激发射截面往往都大于石英基质。同时，硅酸盐玻璃是最为常用的玻璃系统，与硼酸盐和磷酸盐等玻璃体系相比挥发小、玻璃组分稳定。因此硅酸盐体系玻璃具有优良的化学稳定性、热稳定性，且玻璃容易制备。双包层掺Yb3+光子晶体光纤作为高功率激光产生和传输用的新型光纤，由于其特殊的内部结构及奇特的导光原理使其具有传统光纤无法比拟的奇异特性，因而在光通信、高功率光纤激光器、高脉冲能量光纤放大器等领域有着重要的应用，已成为固体激光器强有力的竞争者。理论分析双包层光子晶体光纤采用空气孔来控制泵浦芯的数值孔径，外包层为空气占空比达50%以上的空气-玻璃层，似的泵浦芯的数值孔径可以在很大的范围内调控，目前数值孔径达到0.8的光子晶体光纤已经面世。大模面积、大数值孔径和大折射率差，增加了光在光纤中的反射次数，使得光纤可以做得很短，在高功率工作时，极大的降低了非线性效应，尤其是受激拉曼散射。对于传统的阶跃型光纤，光纤光学中定义了归一化频率V=2Kp(n2一池)1/2人cocl式中n和n_分别为光纤芯和包层的折射率；p为纤芯直径。只有Vv2.405coc1时，此光纤才是单模的。即传统光纤存在着一个截止波长，只有波长大于此截止波长的光波才能在光纤中实现单模传输，而波长小于此截止波长的光波在光纤中为多模传输。在光子晶体光纤中，亦可以定义一个等效的归一化频率

V=^H(n2(九)-V=^H(n2(九)-n2(九))i/2九coeff式中n(九)和n(九)分别为光子晶体光纤芯层和包层的等效折射率；p为定义的coeff芯层半径。光子晶体光纤包层的等效折射率n(九)可以根据包层晶胞的等效数学eff模型来计算。根据光纤光学，在纵向(z)均匀分布的PCF中，极坐标下的电磁场可以表示为E(p,t)=E(p,p)exp[i(®t-Pz)],H(p,t)=H(p,p)exp[i(®t-Pz)],决定其基模的全矢量特征方程为：J(ur)K(wr)1+1urJ(ur)wrK(wr)_iiJ(ur)n2K(wr)_-+=n2coreurJ(ur)1wrK(wr)111(—)2+(―)2ur022其中，u2=ncok2-P2；w2=P2-n2k2co0cceff0论文研究的主要内容发展进程光子晶体光纤的研究现状自从1987年光子晶体概念提出以后，光子晶体的相关研究引起了人们的广泛兴趣，在OFC'004上，光子晶体光纤成为重点报道的课题之一，国际上关于光子晶体光纤的研究主要集中在拓展PCF的应用领域和改善PCF的性能两方面。因此PCF的基础研究和应用开发将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革，极有可能在21世界扮演更为重要的角色。1991年Russen等人根据光子晶体导光原理首次提出光子晶体光纤概念。1996年，英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先报道了成功制备出PCF。莫斯科大学A.M.Zhehikov等人也进行了包层具有周期分布空气孔的多孔光纤的研制。研究发现，改变多孔光纤包层的几何结构，可有效地增强光纤中非线性效应。2000年，英国的Wadsworth等用钛蓝宝石激光器(波长970nm)泵浦一段81mm长的掺镱光子晶体光纤观察到了为1040nm的激光输出，标志着第一台PCF的问世。虽然得到的激光器各方面的性能不是很理想，但是他为PCF激光器的迅速发展迈出了第一步。2001年，英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层PCF结构。双包层PCF掺杂离子为Yb3+离子，纤芯直径15.2卩m，数值孔径0.11，内包层直径15卩m，数值孔径0.8,利用20W光纤耦合二极管阵列泵浦该光纤，光纤长度为17m，获得了3.9W功率输出，斜率效率21%。实验中发现，双包层PCF存在随机散射中心，说明纤芯中存在着缺陷，有待进一步完善PCF的结构。2002年，Bath大学的W.H.Reeves等人拉制出了具有接近零的超平坦色散光子晶体光纤。所拉制出两根光纤的色散在1.24卩m-1.44卩m和1卩m-1.6卩m波长范围内分别被控制在0±0.6ps/nm/km和0±1.2ps/nm/km。2003年，南安普顿大学的X.Feng等人用两种具有高折射率对比度热匹配的石英材料首次拉制出全固PCF。在1.55卩m处，该光纤损耗为5dB/m，非线性系数是230W-1km-1。在1.5卩m-1.6卩m的波长范围内，它具有接近零的群速度色散。2003年，曾报道了一种实现高功率输出高功率输出的双包层PCF光纤结构采用的具有新颖纤芯结构的PCF是该激光器的功率比之前报道的PCF激光器大了一个数量级，而且能够得到较好的激光束的质量。所用PCF长2.3m，纤芯横截面呈三角形，芯径大约是28pm,掺杂的工艺与一般的掺Yb3+PCF也有所不同，掺杂是不仅采用Yb3+和AL3+共掺以增加Yb3+的溶解性，而且掺进了氟用来补偿掺杂Yb3+和AL3+后纤芯折射率的增加，使掺杂后纤芯折射率接近纯硅。泵浦源波长为976nm。输入泵浦功率为105W时获得了80W的输出功率，斜率效率为78%。2004年初，Blaze曾发布了一款新型PCF,该光纤是针对Nd3+微芯片激光器特别优化设计的，可产生超连续光谱，这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出，光谱亮度超过太阳10000倍。同年，美国高级计划研究署研制出高功率单频窄带Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃光纤，用此光纤芯径30》m，波长1552nm，输出功率83W。2005年，英国Bath大学A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱，日本电报电话公司T.Yamamoto等人用波长1562nm、脉宽2.2ps、重复频率40GHz的光脉冲注入到200m长的色散平坦保偏PCF中，在1550nm区域产生了超过40nm的均匀超连续谱，而美国Rochester大学乙M.Zhu等人利用丹麦CrystalFiber公司低双折射、高非线性PCF获得600〜1000nm的超连续谱。2006年，澳大利亚悉尼大学的A.Argyros等人拉制出了聚合物材料的空气传导光子带隙光纤。同年，该大学的M.vanEijkelenborg等人又用聚合物材料拉制出了矩形纤芯的光子晶体光纤。由于不同于传统石英材料光子晶体光纤堆积法的拉制工艺，这些由聚合物材料拉制出的光纤具有更大的灵活性。图2为光子晶体光纤发展进程图。2008年CrystalFiberA/S公司生产的DC-225-22-Yb型掺镱双包层光子晶体光纤，纤芯是通过缺失三个空气孔形成的三角形大模场面积结构，直径为22±3|Jm，单模波长范围为1020〜1150nm，对975nm泵光的吸收〜3.5dB/m；实心纤芯外是由六排周期排列的空气孔构成具有非常大的数值孔径的内包层，内包层直径为225±10Jm，数值孔径NA(950nm)=0.62；外包层直径465±10jm，涂覆层材料为Acrylate，直径550±20jm。光纤在波长范围1020—1150nm内保持单模传输，即对Yb3+的整个发射谱均可以保持单模传输；光纤具有大的数值孔径内包层和小的纤芯数值孔径，因而在具有大的模场面积下也能保证激光的单模传输；内包层为无掺杂的硅材料，对泵浦光的损耗可以做到非常低。该公司最新成品:1)DC-170/40-Yb-2双包层掺镱光子晶体光纤，该光纤具有很高的内包层数值孔径(因为硅和空气孔之间有很大的折射率差),内含一个单模掺镱纤芯,微结构内包层设计允许一个大模场直径的单模纤芯,在传送高功率激光的同时,保证高的光束质量水平。此光纤的单模工作波长1000T100Jm，模场直径30±3Jm模场面积〜750Jm2，数值孔径NA(1060nm)=~0.03，内包层直径170±10jm，外包层直径620±25jm，涂覆层材料为单层丙烯酸聚酯，包层材料PureSilica。端面如图a所示。2)DC-135/15-PM-Yb保偏型双包层掺镱光子晶体光纤结合了真正单模偏振保持的纤芯和大数值孔径空气包层的设计，能够实现高功率输出，同时保证出色的模式质量。因为DC-135/15-PM-Yb光纤真正的单模纤芯设计(纤芯NA=0.055)，该光纤更易于使用，不像传统的多模光纤那样需要严格的盘绕光纤对高阶模式进行滤波。另外DC-135/15-PM-Yb光纤在976nm处的泵浦吸收高达8dB/m,用户可以使用非常短的光纤实现高峰值功率输出。圆形内包层泵浦纤芯设计对保证最佳的泵浦耦合效率非常关键。此光纤的单模工作波长1000-1100UM,模场直径55±5pm模场面积2200±200》m2,数值孔径NA(1060nm)=~0.02，内包层直径135±5pm,外包层直径280±10pm,纤芯的材料是二氧化硅，涂覆层材料为高温聚酯，包层材料PureSilica。端面如图b所示。3)DC-200/70-PM-Yb-R0D大模场偏振保持型双包层棒状掺镱光子晶体光纤,该光纤代表了双包层掺镱光纤的顶尖水平,这一款棒状的光纤采用了偏振保持设计,有效的模场面积超过2000pm2。DC-200/70-PM-Yb-ROD棒状光纤非常大的有效模场面积加上极高的包层泵浦吸收效率(可达30dB/m),把光纤光学中的非线性阈值提高到一个更高的水平。该光纤主要针对高峰值功率脉冲光纤放大器设计,目前应用结果显示,棒状光纤能够处理兆瓦(Mega-Watt)级的峰值功率。此光纤的单模工作波长1000-1100pm，模场直径126±1pm模场面积200±20pm2，数值孔径NA(1060nm)=0.055±0.01，外包层直径1.7±0.1mm，涂覆层无，外包层材料PureSilica，内包层材料PureandB-dopedSilica端面如图c所示。这三种光纤都广泛应用于高脉冲能量光纤放大器，光纤激光器。a图b图c图目前我国烽火公司拉制硅基掺镱双包层光子晶体光纤根据增大内包层尺寸的数值孔径有利于简化泵浦光的耦合和传输等大的泵浦光的效率，通过增大数值孔径，内包层的可传输功率将以平方增加理论上实现内包层数值孔径在1左右。在此基础上拉制的光纤参数为：纤芯直径22pm，内包层直径330pm，纤芯数值孔径0.05，内包层数值孔径0.45，内包层吸收系数为1.5dB/m。采用这种光纤0.5m在入纤功率为3.39W时，得到了2.5W的激光输出，光-光的转化效率为73.7%。如果采用更大的泵浦激光，这种光纤将有更大的激光输出。目前，国内外光子晶体光纤研究以理论研究为主，相关的实验研究也还有待进一步发展。主要研究的机构有:麻省理工学院、英国Bath大学、Bell实验室、悉尼大学和丹麦CrystalFiberA/S公司，国内的清华大学、天津大学、北京交通大学，燕山大学，烽火通信等。在短短10多年时间里，PCF的研究取得了很大的进展，发表的论文数量以每年70%的速度增长。虽然PCF的制造很复杂，但应用前景光明，已有好几家大学和公司都在积极地设计并制造各种高性能的PCF，如低损耗光子晶体光纤、色散补偿用双芯光子晶体光纤、极高非线性PCF，由此研制出双包层PCF、多芯PCF以及掺杂PCF等等。中国科技大学对LD泵浦的掺镱双包层光纤激光器进行了研究，在多个波长获得激光输出，其中在波长为1073nm时获得了3.84mW的激光输出，激光的斜率效率55%。中国科学院西安光学精密机械研究所对掺镱双包层光纤激光器进行了数值分析。中国科学院上海光学精密机械研究所所用波长为980nm的LD泵浦的掺镱双包层光