光子晶体光纤激光器

光子晶体光纤激光器

摘要：光纤激光器是这些年来激光领域备受关注的热点，而光子晶体光纤具有很多传统

光纤难以实现的优点，以光子晶体光纤作为增益介质的高功率光纤激光器受到了普遍关注。

本文就光纤激光器的基本原理进行了简单的介绍，并重点介绍了双包层的光子晶体光纤激光器的研究。

关键字：光纤激光器；双包层；光子晶体光纤；Yb3+

前言光纤激光器与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，

例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好。因此，它已经在许多领域取代了传统的YAG，CO2激光器等。

然而，传统光纤激光器，因受光纤波导结构限制，其数值孔径较小，耦合效率低，以及维持单模传输的纤芯面积小，在大功率运转条件下容易产生非线性效应和热光损伤等问题，输出功率受到很大限制。

20 世纪90 年代光纤家族出现了新成员——光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF），由于其结构灵活多变，特别是拥有大模场面积，同时保持无限单模的优越特性，有效地克服了传统光纤激光器的种种缺陷，因此人们开始将目光转移至

光子晶体光纤激光器。

一．光纤激光器的基本原理[1]

目前开发的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。光纤激光器工作原理是泵浦光通过反射镜1（或光栅1）入射到掺杂光纤中，吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁，实现“粒子数反转”，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，同时将能量以光子形式释放，通过反射镜2（或光栅2）输出激光，如上图1所示。

掺稀土元素的光纤通常为双包层光纤（Doub-le-Clad Fiber，DCF）。此种光纤结构如图 2 所示，由外包层、内包层和掺杂纤芯所构成，外包层的折射率小于内包层的折射率，内包层的折射率小于纤芯的折射率，从而构成双层的波导结构。掺杂双包层光纤是构成光纤激光器的关键部件，在光纤激光器中的作用主要是：1）将泵浦光功率转换为

激光的工作介质；2）与其他器件共同构成激光谐振腔。其工作原理主要是：将泵浦光通过侧向或端面耦合注入光纤，由于外包层折射率远低于光纤的内包层，所以内包层可以传输多模泵浦光。内包层的横截面尺寸大于纤芯，对于所产生的激光波长，内包层与掺稀土离子的纤芯构成了完善的单模光波导，同时它又与外包层构成了传输泵浦光功率的多模光波导。这样可以将大功率多模泵浦光耦合进入内包层，多模泵浦光沿光纤传输的过程中多次穿过纤芯并被吸收，由于纤芯中稀土离子被激发，从而产生较大功率信号激光输出。工作原理如图2所示。

目前,对于光纤激光器的研究方向主要集中在高功率光纤激光器、窄线宽光纤激光器、多波长光纤激光器、超短脉冲光纤激光器、拉曼光纤激光器和光子晶体光纤激光器等几个方面。下面着重介绍下光子晶体光纤激光器。

二．光子晶体光纤激光器

1.光子晶体光纤

光子晶体光纤(photonic crystal fiber，pCF)的概念最早是由P.St.J.Russell等人于1992年提出的,并于1996年第一次在实验室成功制作出样品，他是基于光子晶体非凡的局域电子的能力制作而成的，他是沿轴向均匀排列着的石英光纤。从端面看，这种光纤的包层是有序排列的二维光子晶体，其纤芯是一个破坏了包层结构周期性的缺陷，光能够在缺陷内传播。这个缺陷可以是固体硅也可以是空气孔。下面是几种典型的光子晶体光纤示意图[2]：

图3 几种典型的光子晶体光纤

光子晶体光纤按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)和折射率引导型光子

晶体光纤(TIR-PCF)两类。

2.光子晶体光纤的特性[3,4,5,6]

（1）无截至单模，大模面积

所谓“无截止单模(Endlessly Single Mode)”，即光纤的截止波长很短。普通单模光纤包层折射率随波长变化很小，当传输波长较短时，光纤v值变大，光纤波导将不再满足单模传输条件：在PCF包层中传输的短波长光由于能够更好地避开空气孔传播．使短波长光对应的包层折射率更接近基质材料折射率，这样就可以使V值变化量减小，光纤仍满足单模传输条件，使短波长光很好地约束在纤芯传输．因此不必减小纤芯直径，只需适当设计包层占空比d／A(d为内包层空气孔直径，A为空气孔中心间隔)，PCF就可以实现无截止单模传输，这是PCF不同于普通光纤的一个独特优点。

在满足单模传输的情况下，增加PCF纤芯替代空气孔的实芯棒个数，就可实现较常规光纤大很多的纤芯面积，大模面积(1arge mode area，LMA)设计可以降低纤芯的功率密度，提高了光纤的非线性效应阈值，这在高功率激光传输等方面具有广泛的应用。

（2）高数值孔径

光纤集光能力主要与光纤数值孔径NA有关，由于包层空气孔占空比的设灵活性，PCF不仅可以实现包层，纤芯的低折射率差，设计大模面积纤芯PCF：亦可以进行包层／纤芯大折射率差设计，获得高NA多模纤芯或内包层．虽然空气孔结构在传输信号时会导致信号的变形，但高NA PCF对搜集和传输高功率非常有利，因此在高功率包层泵浦光纤激光器和放大器方面具有很重要的应用。高NA的PCF在保证泵浦光高效耦合的基础上，允许采用小尺寸内包层设计，提高泵浦光和信号光的交叉，增加泵浦光吸收效率。

（3）色散特性

反常色散及色散可控特性真空中材料色散为零，空气中的材料色散也非常小，这使得光子晶体光纤的色散非常特殊，光子晶体光纤的色散强烈依赖于包层空气孔的尺寸、形状和排列，由于光纤设计灵活，只要改变孔径与孔间距之比，可方便地控制光子晶体光纤的色散量，使光纤总色度色散达到所希望的分布状态。

（4）非线性效应和双折射效应

强非线性效应可以通过减少光纤的模场面积实现，可以通过改变空气孔的间距调节有效模场面积，在1.5μm波长处调节范围约为1~800μm2，如果在空气孔中填充合适的非线性材料，则会显著提高光子晶体光纤的非线性效应。

优良的双折射效应对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态越好。在光子晶体光纤中，只需要破坏光子晶体光纤的剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射从而制备出高双折射率光子晶体光纤保偏光纤。与传统保偏光纤相比，高双折射光子晶体光纤保偏光纤具有制作工艺简单、设计自由度大、可实现高双折射、对温度变化不敏感等优点。

在光子晶体光纤的纤芯中掺入稀土元素，可以制成光纤激光器；利用光子晶体光纤可以灵活设计的模场特性，改变传导模式和有源介质之间的相互作用，可以制造适用于不同要求的激光器。

3.光子晶体光纤激光器的基本原理[7,8]

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。