掺Yb3+双包层光子晶纤激光器

一、光子晶体光纤
光子晶体概念是1987年美国贝尔通信研究 中心的物理学家和加拿大物理学家分别提 出来的。虽然光子晶体是个新名词，但在 自然界中却早就存在天然的光子晶体结构， 比如蛋白石的表面、蝴蝶的翅膀以及丁虫 的身体表面等。举例一个现象：蝴蝶翅膀 在阳光下成美丽彩色，它正是由于在不同 的方向上，有不同频率的光被散射和透射。
20世纪90年代中期PCF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PCF的光纤激光器件一般可以分为以下两大 类:一类是利用小模面积PCF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大模面积PCF（尤其是双包层PCF)研制 的高功率、高光束质量近红外PCF激光器。在同等泵浦条件下， 小模面积PCF比一般光纤更容易产生非线性效应，适合于研制 低阈值、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 高功率光子晶体光纤激光器中，大模面积PCF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，这为高功率光子晶体光纤激光器的发展奠定了坚实的基 础。
二、光子晶体光纤激光器的发展
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 大规模的应用，已经成为当今激光技术及其应用领域的研究热 点。 20世纪60年代初就发明了第一台光纤激光器，然而受到低损耗 光纤制作工艺和泵浦光源的制约，在长达20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20世 纪80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(Clad Pumping)技术使光纤激光器的输出功率提高了几个量 级。目前，由掺Yb3+双包层石英光纤制成的激光器，己经获得 近千瓦的单横模激光输出。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。
六、总结
光子晶体光纤激光器虽然面临这一些问题， 但相信不久的将来这些问题都将不是问题。 光子晶体光纤激光器一定有一个很好的发 展，尤其是掺Yb3+双包层光子晶体光纤激光 器，其发展空间更是不可估量。
3.大模面积光子晶体光纤选择 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。 综上知掺Yb3+双包层光子晶体大模面积光纤激 光器是光纤激光器非常好的选择。
4.2 泵浦耦合方式 包层泵浦掺Yb3+双包层光子晶体光纤激光器 的泵浦源通常为带有输出尾纤的大功率半 导体激光器(LD)或LD阵列。泵浦源与双包 层光纤之间有多种的藕合方式，可以分为 两大类:一类是端面泵浦;另一类是侧面泵浦。 双包层光纤激光器最简单和有效的泵浦祸 合方式为端面泵浦。
五、光子晶体激光器面临的问题
2.掺杂选择 根据增益介质不同，光纤激光器可划分为掺稀 土元素激光器和非线性效应激光器（受激拉曼 散射激光器和受激布里渊散射激光器）两大类。 其中稀土掺杂光纤激光器由于具有高输出功率、 高转化效率、优异的光束质量等特性而备受关 注。特别是掺Yb3+双包层光纤激光器，由于其 可直接采用976nm或915nm的激光二极管作为 泵源，又具有极高的量子效率，尤其适合发展 为高功率的实用化器件。
F-P腔的设计问题： 现在大部分光子晶体光纤激光器都使用二色镜 做镜腔。但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。使用镀膜二色镜提供 反馈，聚焦后的抽运功率密度以及产生的激光 功率密度极高，极易把镀膜打坏。虽然采用分 ห้องสมุดไป่ตู้式光纤布拉格光栅(DBG)提供激光反馈，具 有反馈效率高(可达100% )、输出谱线窄、中心 反射波长可以精确控制、反射带宽可以任意选 择以及易于集成等优点，但此方法通用性差， 尚不成熟。
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，简称PCF)， 又称微结构光纤(Microstrure Fiber，简称MF)或多孔 光纤(Holy Fiber)，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PCF和光子带隙型 PCF(简称PBG光纤)。折射率引导型PCF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PBG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子带隙结构来导光的。（所 谓的光子带隙就是指由于介电系数的变化足够大且变化 周期与光波长相当时，光波经散射后，某些波段的电磁 波强度呈指数衰减，无法在系统内传递，而这些被禁止 的频率区间就称为光子带隙。）
四、光子晶体光纤激光器结构
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。
4.1 谐振腔的构成 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。重 点介绍以二向色镜作为腔镜的F-P腔，二向色 镜作为腔镜是最容易实现的一种F-P腔，它是 通过在增益PCF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
耦合系统的设计问题： 与常规光纤激光器相比，光子晶体激光器的抽运技 术相对落后，目前基本上以透镜聚焦、端面耦合方 法为主，不利于激光器集成化，无法使用多个LD 同时抽运，而且实验系统调整精度要求很高，影响 系统的稳定性。对于更大功率的光纤激光器，最有 发展潜力的耦合技术是采用树枝状结构，多个带尾 纤大功率多模LD 抽运源，通过尾纤与树枝状结构 分别相连，然后通过多模耦合器传输抽运光进入光 子晶体。避免了端面抽运中的耦合系统，提高了系 统的耦合效率、稳定性和可靠性。此方法除了树枝 状结构制作有难度外，也必然涉及到光子晶体与普 通光纤的熔接问题。
三、掺Yb3+双包层光子晶体大模面积光 纤激光器的选择
1.双包层选择 包层泵浦技术的出现成功地解决了单模光纤泵浦效 率低的问题，使激光器的输出功率不断得到提高。 顾名思义，双包层光纤在纤芯和包层之间多了一个 内包层，从而具有双层波导区。内包层作为泵浦光 波导，其横向尺寸和数值孔径远大于纤芯，可以将 高功率多模泵浦激光有效地耦合进增益光纤，使其 多次横穿过单模光纤纤芯，并被稀土元素的原子所 吸收；同时，内包层又包绕纤芯构成了传输激光的 单模光波导，将激光辐射限制在纤芯内，其作用是 将多模泵浦光高效率地转换为单横模激光。同时由 于双包层光纤具有较大的表面积与体积比，从而可 以避免产生热透镜效应。
光子晶体光纤的问题： （1）多孔的光子晶体光纤端面的抛光、清洁问题。因为抽运光 聚焦于端面及以端面作为输出腔镜，对光纤端面加工质量要求 较高，而多孔的光子晶体端面无法直接清洁、抛光，任何一点 缺陷或者碎片都容易使端面被大功率激光烧坏。而光子晶体的 端面密封技术主要由世界上少数几家PCF 生产厂商掌握，没有 技术工艺方面的公开报道。（2）光子晶体光纤熔接问题。光子 晶体低损耗熔接非常重要，它是光子晶体获得各种实际应用必 须解决的关键技术。在光子晶体熔接过程中，空气孔的塌陷变 形是影响熔接的最关键问题。（3）光子晶体光纤理论分析问题。 光子晶体光纤的理论设计方法中，较为精确的理论所需的计算 工作量太大。（4）光子晶体光纤加工制作问题。由于光子晶体 光纤激光器件的尺寸很小，电极接触的面积也会相应地减小， 从而引起串联电阻的增加，导致一些热问题。而且光子晶体光 纤加工制作也是一个难题。