專利名稱：摻鐿多芯光子晶體光纖鎖模激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻鐿多芯光子晶體光纖鎖模激光器，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在先技術(shù)[1]是一種能輸出ISnJ單脈沖能量的光子晶體光纖振蕩系統(tǒng)。它包含 一根模場(chǎng)直徑為29 μ m的光子晶體光纖。這種光纖在包層中引入周期排列的空氣孔結(jié)構(gòu)， 可以提供比傳統(tǒng)光纖大一個(gè)數(shù)量級(jí)的模場(chǎng)面積并保持單模運(yùn)轉(zhuǎn)。使得單脈沖能量從傳統(tǒng)激 光器的皮焦耳(PJ)量級(jí)，提升到幾十個(gè)納焦耳(nj)。但是，由于受到彎曲損耗以及熱透鏡 效應(yīng)的影響，光子晶體光纖的模場(chǎng)面積不能無限增大，為了得到更高的脈沖能量，往往需要 放大級(jí)對(duì)激光器輸出的超短脈沖進(jìn)行放大，而放大過程不僅增加了激光系統(tǒng)的成本，喪失 了其易用性，而且會(huì)對(duì)脈沖的形狀和穩(wěn)定性造成一定的破壞。多芯光子晶體光纖為進(jìn)一步提高光纖模場(chǎng)面積提供了一種有效的解決方案。多芯 光子晶體光纖是在一個(gè)共用的內(nèi)包層中嵌埋多根單模纖芯，纖芯排列成環(huán)形、矩形等規(guī)則 的集合形狀，這些纖芯的直徑和摻雜濃度都相等，且相互間距離接近達(dá)到微米量級(jí)，在傳輸 過程中通過瞬逝波產(chǎn)生耦合。光纖總的模場(chǎng)面積隨纖芯數(shù)量成比例的增加，大大降低了光 纖中的非線性，達(dá)到提高激光器單脈沖能量的目的。多芯光子晶體光纖各個(gè)纖芯之間相互 耦合，形成多個(gè)本征超模，而只有同相位超模具有高斯形遠(yuǎn)場(chǎng)分布。因此，目前以多芯光子 晶體光纖為介質(zhì)的激光器面臨的主要問題是如何保證各個(gè)纖芯同相位，即鎖相。在先技術(shù)[2]是通過塔爾伯特腔實(shí)現(xiàn)多芯光纖的鎖相運(yùn)轉(zhuǎn)的。它將反射端鏡放置 在距離光纖端面Z處。當(dāng)Z = Zt (Zt為塔爾伯特距離)時(shí)，同相位超模的反射損耗最小，能 夠建立起激光振蕩，而其他超模反射損耗太大，損耗大于增益而不能建立起激光振蕩，從而 實(shí)現(xiàn)多芯光纖激光器的鎖相運(yùn)轉(zhuǎn)。但是塔爾伯特距離與纖芯間距有關(guān)，通常僅為幾個(gè)毫米， 要求調(diào)節(jié)精度高，而且難以在光纖和端鏡之間加入任何元件，更不適合在環(huán)形腔中應(yīng)用。在先技術(shù)[3]是通過小孔來實(shí)現(xiàn)多芯光纖的鎖相運(yùn)轉(zhuǎn)的。它將小孔放置在光纖出 射端透鏡的后焦面上，同相位超模的遠(yuǎn)場(chǎng)具有高斯分布，因而通過小孔時(shí)損耗最小，而其他 超模遠(yuǎn)場(chǎng)為環(huán)形或瓣?duì)罘植?，中心?qiáng)度弱，通過小孔時(shí)損耗大。因此，只有同相位超模能夠 建立起激光振蕩，從而實(shí)現(xiàn)多芯光纖激光器的鎖相運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，透鏡后焦面光斑的大小是由 透鏡參數(shù)決定的，而此透鏡參數(shù)由光纖的纖芯大小和數(shù)值孔徑?jīng)Q定，小孔的大小只能適應(yīng) 透鏡后焦面光斑的大小。因此，小孔選模方法對(duì)小孔的大小選擇要求很高。小孔太大，不利 于充分損耗其他超模，無法建立起鎖相運(yùn)轉(zhuǎn)；小孔太小，同相位超模損耗太大，影響激光腔 的效率。因此要求小孔尺寸達(dá)到微米量級(jí)的精度，這對(duì)小孔加工和光路的調(diào)節(jié)都有很高要 求。有關(guān)涉及到本發(fā)明技術(shù)的文獻(xiàn)和報(bào)道如下[1] Y. J. Song, Μ. L. Hu, C. L. Gu, et al. , Mode-locked Yb-doped large-mode-area photoniccrystal fiber laser operating in the vicinity of zero cavity dispersion, Laser Physics Letters, 2010, 7 (3) :230_235“工作在零色散區(qū)域的摻鐿大模場(chǎng)面積光子晶體光纖鎖模激光器”激光物理快報(bào)，2010,7 (3) 230-235[2]L. Michaille, C. R. Bennett, D. Μ. Taylor, et al. , Phase locking and supermode selection inmulticore photonic crystal fiber lasers with a large doped area, Optics Letters, 2005, 30 (13) :1668_1670 “大模面積多芯光子晶體光纖的鎖 相和超模選擇”光學(xué)快報(bào)，2005，30 (13) 1668-1670[3] L. Michaille, D.M.Taylor, C. R. Bennett, et al. , Characteristics of a Q-switched multicorephotonic crystal fiber laser with a very large mode field area, Optics Letters, 2008, 33 (1) 71-73 “大模面積多芯光子晶體光纖調(diào)Q激光器”光學(xué) 快報(bào)，2008，33(1) 71-7
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種摻鐿多芯光子晶體光纖鎖模激光器，該激光器輸出的 脈沖具有光譜寬，脈寬窄和能量高的特點(diǎn)。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的。一種摻鐿(Yb3+)多芯光子晶體光纖鎖模 激光器，該激光器包括二極管泵浦源1，在泵浦光路中依次設(shè)置準(zhǔn)直非球面透鏡2，第一雙 色鏡3和注入非球面透鏡4，泵浦光由非球面透鏡4注入光子晶體光纖20，在光子晶體光纖 的另一端之后，依次設(shè)置耦合非球面透鏡19、第二雙色鏡18、第一 1/4波片17 ；在第一雙色 鏡3的20°角反射光路中，依次設(shè)置第二 1/4波片5、第一半波片6、隔離器7、選模器、全反 鏡11 ；其中選模器由第一非球面透鏡8、單模光纖9、第二非球面透鏡10組成；在全反鏡11 的反射光路中，依次設(shè)置第二半波片12、偏振分光棱鏡13、第三1/4波片14、第三非球面透 鏡15及半導(dǎo)體可飽和吸收鏡16，整個(gè)激光器為σ腔結(jié)構(gòu)。其特征在于，光子晶體光纖20 為摻鐿(Yb3+)多芯光子晶體光纖，它的纖芯數(shù)量為6 37個(gè)，每個(gè)纖芯由缺失1 3層空 氣孔組成，纖芯之間有1 2層空氣孔，纖芯為正六邊形或環(huán)形排布，內(nèi)包層為4 10層正 六邊形周期排布的空氣孔結(jié)構(gòu)；選模器由第一非球面透鏡8、單模光纖9及第二非球面透鏡 10構(gòu)成，其中單模光纖9為1040nm波長(zhǎng)處基模光纖，數(shù)值孔徑為0. 03 0. 06，模場(chǎng)直徑為 10 40 μ m，光纖長(zhǎng)度為0. 1 1米；第一非球面透鏡8和第二非球面透鏡10的數(shù)值孔徑 與單模光纖9的相同，焦距為6 15mm，表面鍍寬帶增透膜，對(duì)976 1 IOOnm激光透射率大 于 99. 5%。與以往報(bào)道的超短脈沖光纖激光器相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)[1]增益介質(zhì)采用摻鐿(Yb3+)多芯光子晶體光纖，該光纖的模場(chǎng)面積隨纖芯數(shù)量 成比例增加，可達(dá)2000 ΙΟΟΟΟμπι2。比普通光纖大兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，對(duì)應(yīng)的非線性系數(shù)低 100倍以上，可以支持的單脈沖能量也相應(yīng)的比傳統(tǒng)光纖激光器高100倍以上；[2]激光腔內(nèi)加入了選模光纖來鎖定多芯光纖各個(gè)纖芯的相位，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形腔多 芯光子晶體光纖各個(gè)纖芯的鎖相輸出。與原有的利用塔爾伯特腔選模方式相比，選模光纖 和多芯光纖之間間距不受限制，可以根據(jù)需要加入任意的元件，只需要保證選模光纖的耦 合效率即可實(shí)現(xiàn)激光器的鎖相運(yùn)轉(zhuǎn)；[3]與腔內(nèi)小孔選模方式相比，單模光纖的纖芯大小沒有嚴(yán)格的要求，可以通過選 擇單模光纖前面的第一非球面透鏡8來匹配多芯光纖和單芯光纖的模場(chǎng)，提高單模光纖的 耦合效率，降低腔內(nèi)的損耗。而且，光束經(jīng)過單模光纖后為高斯分布，只與同相位超模具有
4相同的角對(duì)稱型，只能激發(fā)同相位超模。因此只需要保證選模光纖的耦合效率即可實(shí)現(xiàn)激 光器的鎖相運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)方便；[4]整個(gè)激光器工作在全正色散區(qū)，腔內(nèi)無任何的色散補(bǔ)償元件，也沒有濾波片 等耗散元件，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡相結(jié)合的方式啟動(dòng)鎖模和穩(wěn)定鎖 模。這意味著激光腔更為簡(jiǎn)化，鎖模更加穩(wěn)定并可輸出光譜更寬，脈寬更窄，能量更大的激 光脈沖。


圖1為本發(fā)明的多芯光子晶體光纖鎖模激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為二極管泵浦源；2為準(zhǔn)直非球面透鏡；3為第一雙色鏡；4為注入非球面 透鏡；5為第二 1/4波片5 ；6為第一半波片；7為隔離器；8為第一非球面透鏡；9為單模光 纖；10為第二非球面透鏡；11為全反鏡；12為第二半波片；13為偏振分光棱鏡；14為第三 1/4波片；15為第三非球面透鏡；16為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡；17為第一 1/4波片；18為第二 雙色鏡；19為耦合非球面透鏡；20為摻鐿多芯光子晶體光纖。圖2為圖1中摻鐿多芯光子晶體光纖20的端面掃描電鏡顯微圖片。圖3為激光器輸出光斑的遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖片。
具體實(shí)施例方式摻鐿(Yb3+)多芯光子晶體光纖鎖模激光器的具體實(shí)施方案如下首先將二極管泵浦源1的尾纖固定在五維精密光纖調(diào)整架上，實(shí)現(xiàn)尾纖的上下， 左右，前后及傾斜角度的精密調(diào)整。調(diào)節(jié)尾纖，使其出射端位于準(zhǔn)直非球面透鏡2的焦點(diǎn)， 充分準(zhǔn)直泵浦光。二極管泵浦源1的尾纖的纖芯直徑為200 μ m，數(shù)值孔徑為0. 2，輸出波長(zhǎng) 為976 980nm，輸出最大功率為50W。非球面透鏡2、4、8、10、15、19均鍍有對(duì)976 IlOOnm 波段高透的寬帶介質(zhì)膜，透射率大于99. 5%，且固定在精密一維微位移平臺(tái)上，用于精確調(diào) 節(jié)準(zhǔn)直與聚焦。準(zhǔn)直非球面透鏡2的焦距為11mm，數(shù)值孔徑與二極管泵浦源1的尾纖的數(shù)值 孔徑相同。把雙色鏡3置于非球面透鏡2之后，且與泵浦光呈20°放置，依此角度放置，雙 色鏡對(duì)于波長(zhǎng)為976 IlOOnm的泵浦光透過率大于98%，對(duì)于波長(zhǎng)為1 1. 1 μ m的激光 反射率大于95%。在雙色鏡之后插入注入非球面透鏡4，把泵浦光聚焦至光子晶體光纖20， 非球面透鏡4焦距為8mm，數(shù)值孔徑與光子晶體光纖20的內(nèi)包層數(shù)值孔徑相同。光子晶體 光纖20為多芯光子晶體光纖，內(nèi)包層由5層正六邊形周期排布的空氣孔組成，共有7個(gè)纖 芯，纖芯摻雜增益離子鐿(Yb3+)，分兩層呈正六邊型排列，每個(gè)纖芯由缺失兩層空氣孔組成， 纖芯之間有一層空氣孔，纖芯總的等效模場(chǎng)面積為5000μπι2，光纖長(zhǎng)度為1. 5m。內(nèi)包層也 作為泵浦光的纖芯，數(shù)值孔徑為0. 6。光子晶體光纖的兩個(gè)端面的空氣孔由熔接機(jī)高壓放電 塌陷，并用研磨機(jī)打磨成8°角，從而起到抑制自激振蕩及端面反饋的作用。利用五維精密 光纖調(diào)整架把光子晶體光纖兩端固定，調(diào)節(jié)光子晶體光纖，使其位于非球面透鏡4的焦點(diǎn)， 微調(diào)直至泵浦光的耦合效率最高。光纖的另一端插入耦合非球面透鏡19，焦距為28mm，其 數(shù)值孔徑與光子晶體光纖纖芯數(shù)值孔徑相同。此時(shí)加大泵浦功率，可以發(fā)現(xiàn)從光纖兩個(gè)端 面出射的自發(fā)輻射熒光，其中一路通過非球面透鏡4準(zhǔn)直然后被雙色鏡3反射。在雙色鏡3 的20°反射光路中，依次垂直于光軸方向插入第二 1/4波片5、第一半波片6、隔離器7、選
5模器、全反鏡11。隔離器的隔離度為45dB。1/4波片5、半波片6和隔離器的組合起到控制 激光偏振態(tài)的作用，旋轉(zhuǎn)1/4波片5和半波片6可以控制隔離器的耦合輸出率。選模器包 含非球面透鏡8、單模光纖9和非球面透鏡10。其中單模光纖的模場(chǎng)直徑為35 μ m,數(shù)值孔 徑為0. 046，長(zhǎng)度為0. 4m，單模光纖兩端面用研磨機(jī)打磨成8°角，從而起到抑制自激振蕩 及端面反饋的作用。非球面透鏡8和10的焦距均為11mm，數(shù)值孔徑與單模光纖一致。利用 五維精密光纖調(diào)整架把單模光纖兩端固定，調(diào)節(jié)單模光纖，使其位于非球面透鏡8的焦點(diǎn)； 調(diào)節(jié)非球面透鏡10的位置，使單模光纖的端面位于非球面透鏡10的焦點(diǎn)處。全反鏡11對(duì) 于波長(zhǎng)為1 1. 1 μ m的激光反射率大于95%。在全反鏡11的反射光路中，依次垂直于光 軸方向放置第二半波片12、偏振分光棱鏡13、第三1/4波片14、焦距為5cm的第三非球面 透鏡15及半導(dǎo)體可飽和吸收鏡16。半導(dǎo)體可飽和吸收鏡16在1040nm附近的線性吸收率 為35%，調(diào)制深度為26%，吸收恢復(fù)時(shí)間小于3ps。旋轉(zhuǎn)第二半波片12可以調(diào)節(jié)入射到半 導(dǎo)體可飽和吸收鏡13上的能量。經(jīng)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡16反射的熒光來回兩次通過1/4 波片后，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，再次返回偏振分光棱鏡13時(shí)被反射，經(jīng)第一 1/4波片17及第二 雙色鏡18后由焦距為28mm的耦合非球面透鏡19耦合回多芯光子晶體光纖，即得到簡(jiǎn)單的 諧振腔，此時(shí)會(huì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)波的激光運(yùn)轉(zhuǎn)。 旋轉(zhuǎn)第二半波片12用于調(diào)節(jié)入射到半導(dǎo)體可飽和吸收鏡16上的能量；通過調(diào)節(jié) 半導(dǎo)體可飽和吸收鏡16和它前面的非球面透鏡15之間的距離，從而改變半導(dǎo)體可飽和吸 收鏡上的聚焦光斑大小，達(dá)到半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的飽和能流，從而使激光器實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng) 鎖模，從連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)過渡到鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)第二 1/4波片5、第一半波片6和第一 1/4波片 17控制激光腔內(nèi)激光偏振狀態(tài)，用于控制隔離器8耦合輸出率的同時(shí)引入非線性偏振旋轉(zhuǎn) 鎖模機(jī)制，穩(wěn)定鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。逐步增加泵浦功率，并調(diào)節(jié)波片角度和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡上 的光斑大小，輸出的平均功率最高可達(dá)到9. 5W，重復(fù)頻率為8. 3MHz，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為 1. 14μ J。通過光束質(zhì)量分析儀測(cè)量輸出端光斑的遠(yuǎn)場(chǎng)分布為高斯分布。
權(quán)利要求
一種摻鐿多芯光子晶體光纖鎖模激光器，該激光器包括二極管泵浦源(1)，在泵浦光路中依次設(shè)置準(zhǔn)直非球面透鏡(2)，第一雙色鏡(3)和注入非球面透鏡(4)，泵浦光由非球面透鏡(4)注入光子晶體光纖(20)，在光子晶體光纖的另一端之后，依次設(shè)置耦合非球面透鏡(19)、第二雙色鏡(18)、第一1/4波片(17)；在第一雙色鏡(3)的20°角反射光路中，依次設(shè)置第二1/4波片(5)、第一半波片(6)、隔離器(7)、選模器、全反鏡(11)；其中選模器由第一非球面透鏡(8)、單模光纖(9)、第二非球面透鏡(10)組成；在全反鏡(11)的反射光路中，依次設(shè)置第二半波片(12)、偏振分光棱鏡(13)、第三1/4波片(14)、第三非球面透鏡(15)及半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(16)，整個(gè)激光器為σ腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，光子晶體光纖(20)為摻鐿多芯光子晶體光纖，它的纖芯數(shù)量為6～37個(gè)，每個(gè)纖芯由缺失1～3層空氣孔組成，纖芯之間有1～2層空氣孔，纖芯為正六邊形或環(huán)形排布，內(nèi)包層為4～10層正六邊形周期排布的空氣孔結(jié)構(gòu)；選模器由第一非球面透鏡(8)、單模光纖(9)及第二非球面透鏡(10)構(gòu)成，其中單模光纖(9)為1040nm波長(zhǎng)處基模光纖，數(shù)值孔徑為0.03～0.06，模場(chǎng)直徑為10～40μm，光纖長(zhǎng)度為0.1～1米；第一非球面透鏡(8)和第二非球面透鏡(10)的數(shù)值孔徑與單模光纖(9)的相同，焦距為6～15mm，表面鍍寬帶增透膜，對(duì)976～1100nm激光透射率大于99.5％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻鐿多芯光子晶體光纖鎖模激光器，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。該激光器為σ腔結(jié)構(gòu)，主體基于摻鐿多芯光子晶體光纖，并用單模光纖作為選模器進(jìn)行選模，激光器工作在全正色散區(qū)，腔內(nèi)無任何的色散補(bǔ)償元件，借助半導(dǎo)體可飽和吸收鏡啟動(dòng)鎖模。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，所用的多芯光子晶體光纖的模場(chǎng)面積比普通光纖大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可以支持的單脈沖能量也相應(yīng)的比傳統(tǒng)光纖激光器高100倍以上，所用的選模元件為單模光纖，選模穩(wěn)定且操作方便，輸出的脈沖具有光譜寬，脈寬窄和能量高的特點(diǎn)，輸出模場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)分布為高斯分布。
文檔編號(hào)H01S3/098GK101969175SQ20101029542
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者方曉惠, 王清月, 胡明列 申請(qǐng)人:天津大學(xué)