摻鐿雙包層光子晶體光纖雷射器:1 摻鐿雙包層光子晶體光纖雷射器的結構,2 雷射器的

基本介紹

中文名：摻鐿雙包層光子晶體光纖雷射器
外文名：Yb-dopedDC-PCF laser

1 摻鐿雙包層光子晶體光纖雷射器的結構,2 雷射器的泵浦技術,包層泵浦技術,泵浦耦合方式,3 國內外研究進展,國外研究進展,國內研究進展,4 發展趨勢,

1 摻鐿雙包層光子晶體光纖雷射器的結構

Yb3+離子的能級結構較為簡單,不存在激發態吸收,而且吸收光譜寬、增益頻寬、量子效率高、無濃度浮滅等特點;而PCF具有大模場面積、大內包層數值孔徑、寬頻單模傳輸等優點,因此將二者結合在一起的摻鐿PCF (Yb-doped PCF: YD-PCF)具有很多常規摻雜光纖不具有的特點,很適合作為PCF雷射器的增益介質。PCF雷射器能獲得比普通光纖雷射器更大的單橫模截面積,能很好的解決大功率運轉條件下的非線性效應及熱損傷問題,為高光束質量、高功率光纖雷射器的進一步發展提供了條件,在環境監測、工業加工和國防等領域有著廣泛的套用。摻鐿雙包層光子晶體光纖(Yb-doped DC-PCF: YD-DC-PCF)雷射器是以摻鐿雙包層光子晶體光纖作為增益介質,在泉浦光的作用下形成粒子數反轉,從而在正反饋機制下產生雷射振盪。

與其他類型的光纖雷射器不同,因為PCF不利於焊接,環形腔結構的PCF雷射器難以實現目前的PCF雷射器多採用線性F-P腔結構。一段摻雜PCF作為增益介質,二色鏡(m)、反射鏡(M2)或光纖端面等作為諧振腔鏡,加上所需的錄浦源,便構成了線性F-P腔結構的PCF雷射器。

2 雷射器的泵浦技術

包層泵浦技術

由於傳統的單模光纖芯徑很小(5-l0um),難以有效的將泵浦光顆合到纖芯內,從而限制了光纖雷射器的輸出功率。而雙包層光纖的問世成功地解決了這個難題,相應的包層泵浦技術也大大地提高了光纖雷射器的泵浦光輔合效率,從而為大幅度提高光纖雷射器的輸出功率提供了可能。下面簡單地介紹一下包層泵浦技術。

1988年,美國Poiariod的Snitzer等人報導了包層泵浦技術_。該技術的核心是他們設計的一種雙包層光纖,此光纖的內包層具有較大的截面和數值孔徑,因此它可以有效地吸收發散角度大的泵浦光,從而可以很大地提高整個光纖雷射器的輸出功率。

雙包層光纖包括纖芯、內包層、外包層和保護層。纖芯由Si02構成,摻雜了大量的稀土元素;它作為信號光的傳輸通道,直徑較小以保證單模雷射輸出。內包層的折射率比纖芯小,但作為多模泵浦光的通道,它的橫向尺寸和數值孔徑要比纖芯大得多。外包層是由折射率比內包層小的材料構成。最外層是保護層。

在內包層中傳輸的泵浦光以折線方式反覆穿越纖芯並被纖芯中的摻雜稀土離子吸收,將離子泵浦到上能級,而產生的信號光則沿單模纖芯傳輸,較小的芯徑可保證輸出基橫模的高質量光束。這樣,泵浦光只需進大截面面積、大數值孔徑的內包層中即可,所以不要求泵浦光是單模雷射,因此泵浦源可選用大功率的多模雷射二極體列陣。通過泵浦雙包層結構的摻雜光纖,可實現從雷射二極體泵浦源的高功率、多模雷射到衍射極限的光纖雷射的高效轉換,也大大增加了光纖雷射器的輸出功率。

泵浦耦合方式

雙包層光纖的內包層直徑通常可達到幾百微米,這是傳統的單模光纖難以企及的優勢,但是,如何將數十瓦甚至上百瓦的半導體雷射陣列的泵浦光有效地耦合到直徑只有幾百微米的雙包層光纖的內包層中以獲得高的泵浦功率,是發展高功率光纖雷射器的關鍵技術之一。根據泵浦源在光纖上的泵浦點的不同,常用的泵浦顆合方式大體上分為兩類:端面果浦耦合方式和側面泵浦耦合方式。

1.端面泵浦耦合方式

端面泵浦耦合方式是雙包層光纖雷射器中最簡單也是最常用的耦合技術,常見的方式有透鏡組直接耦合法和直接熔接耦合法。

(1)透鏡組直接耦合法

透鏡組直接耦合法 ,是使用一組透鏡將半導體雷射器的泉浦光直接顆合聚焦入雙包層光纖的內包層中。該方法對輔合系統和光纖的端面有一定的要求:一是透鏡組的數值孔徑和聚焦光斑大小要與光纖內包層的相匹配;二是光纖的端面也需要一定的處理。另外,通常會在耦合系統和光纖端面之間加入二色鏡以加大對信號光的反射。

(2)直接熔接耦合法

直接容接耦合法,就是把大功率半導體雷射器的尾纖和雙包層光纖的一端直接熔接在一起,然後在熔接端的雙包層光纖的芯徑內刻燭布拉格光柵作為腔鏡。該方法結構簡單緊湊,容易實現雷射器的全光纖化,但是也存在明顯的缺點:一是把LD的尾纖與雙包層光纖直接熔接對準存在困難,二是兩熔接的光纖的芯徑難以匹配,這都會帶來較大附加損耗。

2.側面泵浦耦合方式

側面泵浦耦合方式,顧名思義,就是採用特殊的技術和工藝將泵浦光從雙包層光纖的側面耦合入光纖的內包層中。這種果浦耦合方式避免了在注入端添加波長選擇元件,像二色鏡和波分復用器等,因此容易使增益光纖和其它光纖直接熔接在一起,但是同時也增加了對雙包層光纖進行微機械加工的工藝難度。常見的側面泵浦耦合方式有以下幾種類型:光纖側面直接顆合法、光柵側面耦合法、V型槽側面耦合法、嵌入透鏡式耦合法等。

(1)光纖側面直接耦合法

光纖側面直接耦合法,就是先剝去一段雙包層光纖的保護層和外包層,然後將內包層縱向打磨拋光得到一塊用以耦合泵浦光的平面,再將半導體雷射器的尾纖按一定角度磨拋,最後把磨拋好的尾纖端面用折射率匹配的光學膠粘合或者直接熔接在雙包層光纖拋光的內包層上,並在館接處塗覆低折射率的聚合物。這樣泵浦光就可以沿著尾纖直接耦合進去雙包層光纖的內包層中。這種方法可以進行多點泵浦,且顆合效率較高,但光纖端面的角度拋光比較困難。

(2)光柵側面顆合法

光柵側面耦合法,就是先剝去一段雙包層光纖的保護層和外包層,然後將一個反射光柵緊貼在內包層的一側,此時,光纖的內包層外表面不需要磨拋,只需在中間填充折射率匹配的材料,之後在另一側把泵浦源發出的泵浦光通過聚焦透鏡聚合到反射光柵上,光柵把泵浦光再反射入光纖的內包層中。這種方法易於實現多點陣列式泵浦,能夠獲得更大的雷射功率輸出。

(3) V型槽側面耦合法

V型槽側面耦合法,就是先剝去一段雙包層光纖的保護層和外包層,然後在內包層的一側刻燭出一個特定頂角角度的V型槽,將槽的一個斜面(也可以同時使用兩個斜面)用作反射鏡;泵浦源發出的泵浦光經聚焦透鏡匯聚到斜面上並實現全反射進入光纖的內包層中。為了提高泵浦效率,一是槽的斜面能夠實現泵浦光的全反射,二是在泵浦源側的內包層上增加一層襯底,且襯底材料的折射率要與內包層的相匹配。這種方法便於實現雙向泵浦,能獲得更大功率的雷射輸出。但是,這也增加了光纖微加工的工藝難度;而且由於利用了微透鏡準直和V槽斜面作為反射面,因此泵浦源、微透鏡和雙包層光纖的相對位置對於耦合效率的影響較大;同時,由於V型槽嵌入內包層中,因此對在內包層中傳輸的泵浦光帶來較大損耗,不利於多點陣列式泵浦。

(4)嵌入透鏡式側面耦合法

嵌入透鏡式側面耦合法,是從V型槽側面耦合法演變來的。在內包層上刻燭出一個小槽,然後放入微透鏡,並用光學膠粘合。為了增加耦合效率,一般會在微透鏡的反射面鍵上對泵浦光的高反膜,入射面鍍上對泉浦光的增透膜。同樣的,該方法對在內包層中傳輸的泵浦光會帶來較大損耗,也不利於多點陣列式泵浦。

3 國內外研究進展

國外研究進展

2003年,英國Bath大學用光纖耦合輸出的二極體雷射器列陣泵浦內包層數值孔徑大於0.8、纖芯面積100um2的雙包層PCF,得到最大輸出能量3. 9W的PCF雷射器,其斜率效率為30%,並且實現單橫模運轉。同年,德國耶拿的Friedrich Schiller大學和丹麥的Crystal Fiber的科研人員一起用2. 3m長的空氣包層YD-PCF作為增益介質製作出一台大功率光纖雷射器。該雷射器在工作波長為1070nm時輸出功率可達80W,斜效率為78%。2005年,德國的Jena研宄所用纖芯直徑為31um,長度為30in的YD-DC-PCF作為增益介質,實現了 1.53KW的雷射輸出,光光轉換效率達到75%。同年,德國耶拿大學的J. Limpert等人報導了一種新型棒狀PCF雷射器,該PCF長0.48in,實現了 120W的單模雷射輸出,斜效率為74%。

2006年3月,J. Limpert等人利用一種長度為0. 6ni的新型大模面積光子晶體光纖作為增益介質,在425W的抽運功率下PCFL連續輸出320W的單橫模雷射束,斜率效率高達78%。

2008年3月,德國的Jena研宄所與丹麥的Crystal Fiber A/S合作報導了一種摻Yb3+單橫模棒狀PCFL,其基模模場面積可達2300um2,輸出波長在1035nm左右,M2大約為1.2,輸出功率高達163W,斜率效率為75%。2010年,康奈爾大學Wise研究組雷射器中實現了非線性偏振旋轉耗散孤子鎖模輸出,獲得了單脈衝能量142nJ,壓縮後的脈衝寬度115fs的脈衝。

2011年3月,Jena研究所的Fabian Stutzki等人再次用棒狀光子晶體光纖實現了294W的單模雷射連續輸出,光斑的模場直徑是65uni,M2〈1.4。2013年,美國PolarOnyx的P. Wan等人採用主振盪放大技術研製了一台高脈衝能量和平均功率的飛秒鎖模雷射器。種子雷射脈衝來源於一台以摻Yb"光子晶體棒為增益介質的放大器,重複頻率是lOOKHz,脈衝能量是50inJ,脈衝寬度是705fs;經放大後重複頻率是69MHz,平均功率是1052W。2014年,印度的U. Chakravarty等人[55%Cr4+:YAG晶體作為被動調Q器件研製了一台線偏光子晶體光纖脈衝雷射器,並獲得9. 4W的平均功率輸出,脈衝寬度為64ns,脈衝重複頻率為57.4KHZ,斜率效率為52%;測得調Q輸出雷射的消光比是10. 5dB。

國內研究進展

現階段國內各研宄單位對PCF雷射器的研究才起步不久,而且受到PCF研製技術和工藝等方面的限制,該方面的研究主要限於中低功率的PCF雷射器,並且大多釆用進口的PCF。

2004年1月,深圳大學的阮雙琛等人[5?報導了一台釆用多模大功率972nm半導體雷射器泵浦的PCF雷射器,增益介質是長20m的摻Yb"雙包層光子晶體光纖,獲得了 1.09um波長的雷射輸出,輸出功率為2. 2W。同年4月,他們又將該光子晶體光纖雷射器的輸出功率提髙到15W。同年,南開大學的聞培光等人採用最大輸出功率5W、中心波長975nm的半導體雷射器作泵浦源,以長為6in、纖芯直徑為3.9um、內包層直徑為200um、內包層數值孔徑為0. 7的摻Yb3+雙包層光子晶體光纖作增益介質,在入纖泵浦功率1. 73W時獲得波長1. 078uin、輸出功率1.45W的單模雷射,斜率效率為85. 1%。

2005年4月,南開大學的張諱等人報導了中心波長為1068. 7nm、最大輸出功率為4.26W、輸出雷射的轉換效率為44. 1%的PCF雷射器。該雷射器釆用的是大模場面積的PCF,長度是5m,纖芯直徑是23um,內包層的直徑為420uni,內包層對950nm光波的數值孔徑為0. 55。同年,中國科學院西安光機所在第17屆雷射會議上報導了一台連續雷射輸出、最大輸出功率可達98W的光子晶體光纖雷射器。

2007年,深圳大學用摻Yb大模場面積雙包層光子晶體光纖作為增益介質、聲光調製器(AOM)作為調Q器件研製了調Q光子晶體光纖雷射器。該雷射器在重複頻率為65KHZ下,可得到最大平均功率2. 5W。此時,脈衝寬度是120ns,峰值功率是32W,雷射中心波長為1038-4nm。2008年,中國科學院西安光機所又報導了一台最大連續輸出功率95. 8W、耦合效率為90. 2%的PCP雷射器。2009年,該研究所的楊林等人使用915nm和976?兩種波長的泵浦源進行雙端泵浦,在23m長的DC-PCF中獲得了552W的連續單模雷射輸出。該雷射器的斜率效率約為76%,光光轉換效率為56%,光譜中心波長為1.078um,光束質量平方因子為1.2。

2009年,天津大學使用大模場面積的PCF研製了一台網狀結構的脈衝雷射器。在環形腔色散為().0035ps2時,可獲得平均功率630mW、重複頻率65. 3MHz和脈衝能量lOnJ的脈衝輸出,脈衝寬度可被壓縮到78fs。

2012年,北京科技大學報導了一台以SESAM作為被動鎖模器件的摻鐿PCF脈衝雷射器。在入纖泵浦功率為300mW時,該雷射器的重複平率是490MHz,脈衝寬度達到21ps,最大輸出功率是17mW,輸出雷射的中心波長和線寬分別是1.0641um和0.13nm。

2013年,上海光機所的杜松濤等人[66]報導了一台釆用了主振盪放大技術的脈衝雷射器。該雷射器的可輸出最大平均功率200W、脈衝能量2inJ、峰值功率高達80KW的雷射脈衝。

4 發展趨勢

光子晶體光纖雷射器主要是朝著超大功率和多樣化的方向發展。首先,在連續光子晶體光纖雷射器中,進一步提高雷射的輸出效率和輸出功率,實現千瓦級甚至更高的功率輸出是主要的研究方向。

其次,在脈衝光子晶體光纖雷射中,形成單纖、單脈衝能量mj、脈衝峰值功率兆瓦以上的光纖雷射器產品是主要研究熱點之一。脈衝雷射技術和雙包層光子晶體光纖技術的結合,是實現高平均功率、高光束質量脈衝雷射的理想方式。雙包層光子晶體光纖雷射器實現脈衝輸出的主要方式:

1.調Q技術實現脈衝雷射輸出;

2.鎖模技術實現脈衝輸出;

3.主振盪一放大(MOPA) 實現脈衝雷射輸出。MOPA方式是一種實現高效

率和高平均功率脈衝雷射輸出的比較理想的方案。釆用該種方式,實驗室中已經實現了上百瓦平均功率的脈衝雷射輸出。而在多樣化方面,主要包括研製全光纖單偏振態、單頻窄線寬和波長可調諧等雷射器產品。

另外,為了實現超高功率的雷射輸出,除了直接提高單根光纖的輸出功率,還可以把多個較低功率的光纖雷射器通過非相干組束技術和相干組束技術進行雷射組束,以獲得所需的高功率雷射輸出。尤其是相干組束技術,可以在提升總雷射功率的同時保持良好的光束質量,是國際上研宄的熱點。其中,2009年,德國C.Wirth等人把4個不同工作波長、輸出功率超過500W、窄線寬的光子晶體光纖放大器進行非相干組束,獲得了2KW的連續雷射輸出,光束質量M〈2.0。

摻鐿雙包層光子晶體光纖雷射器