摻鐿光子晶體光纖激光器諧振腔的實驗研究

劉宗華，鄭 義

摻鐿光子晶體光纖激光器諧振腔的實驗研究

劉宗華，鄭 義*

（北京交通大學理學院，北京100044）

為了對光纖激光器的諧振腔進行優化，研究了976nm半導體激光器后向抽運摻Yb3+雙包層光子晶體光纖在不同腔結構下的輸出特性。在實驗中分別采用平面鏡和平凹鏡作為后腔鏡對諧振腔進行了研究，利用平面鏡做后腔鏡時，存在模式競爭現象，激光輸出線寬約10nm，激光輸出斜率效率為9%；而利用平凹鏡做后腔鏡時，模式穩定，激光輸出線寬約5nm，激光輸出斜率效率為11%。結果表明，利用平凹鏡做后腔鏡時，激光器的模式更穩定、線寬更窄，并且效率更高。

激光技術；光纖激光器；摻鐿光子晶體光纖；后向抽運；波導諧振腔

引 言

近年來，隨著光纖制作工藝的提高，稀土摻雜光纖激光器已經成為激光器的熱門研究領域之一，并在環境監測、工業加工、醫療和國防等領域有著廣泛的應用［1］。

光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）具有大模場面積［2］、大內包層數值孔徑、寬帶單模傳輸［3-4］等優點，因此，采用在芯層內摻雜Yb3+的光子晶體光纖［5］做增益介質制成的光子晶體光纖激光器能獲得比普通光纖激光器更大的單橫模場面積，很好地解決了大功率運轉條件下的非線性效應［6-7］及熱損傷問題，為高光束質量、高功率光纖激光器［8-10］的進一步發展提供了條件。

但是，受限于光子晶體光纖的研制技術，目前國內大功率光子晶體光纖激光器的研究起步較晚，主要還是中低功率的光子晶體光纖激光器［11-12］的研究，并且大多采用進口的光子晶體光纖。光纖激光器的諧振腔是波導諧振腔，與開放式諧振腔不同，因此，以電磁場在自由空間的傳播規律為基礎而建立的開放式光學諧振腔理論不適應于光纖激光器諧振腔的理論。本文中用大功率976nm半導體激光器后向抽運3m長摻Yb3+雙包層光子晶體光纖，設計了一種熱損傷閾值大的腔結構；實驗中，作者研究了光子晶體光纖在入纖功率6W時的輸出熒光譜線；然后分別采用平面鏡和平凹鏡作為后腔鏡，通過對比兩種腔結構的激光輸出特性來分析這兩種腔鏡的優劣。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，實驗中采用摻Yb3+雙包層光子晶體光纖作為增益介質，光纖的橫截面結構如圖2a所示。這種光纖纖芯的直徑為37μm，內包層的直徑為128μm，外包層直徑為231μm，空氣孔呈六角排列；圖2b是光纖的模場分布圖（COMOSL軟件仿真），該光纖是大模場單模光纖；摻雜稀土元素Yb3+對976nm抽運光的吸收系數是7.63dB／m，光纖的長度約為3m；其前端面垂直切割，尾端面3°斜角切割。

Fig.1 Experimental setup

Fig.2 Cross section of the photonic crystal fiber and mode field distribution

抽運源為德國DILAS生產的光纖耦合輸出的大功率半導體激光器，輸出中心波長為976nm，最大輸出功率為110W，輸出尾纖半徑為100μm，數值孔徑為0.22。抽運光經透鏡耦合系統和45°二色平面鏡M1入射到PCF端面上，M1對976nm抽運光高透，對1030nm～1100nm波段的信號光高反；諧振腔分別采用對1030nm～1100nm波段的信號光高反的平面鏡M2（見圖1a）和平凹鏡M3（見圖1b）兩種結構作為后腔鏡和M3在1031nm處保證反射率R＞99%，M2的直徑為25mm，M3的直徑為25mm，曲率半徑為30mm；以反射率4%的光纖前端面作為輸出鏡；用小曲率半徑的平凸鏡M4對輸出激光準直。光譜儀是海洋光電生產的HR2000+光譜儀，檢測范圍是200nm～1100nm，光學分辨率為0.035nm；輸出功率由以色列OPHIR公司生產的功率計測得，最大測量值為300W。

2 實驗結果和分析

在入纖功率約6W時測得實驗用光子晶體光纖的輸出熒光譜線如圖3a所示，圖3b是國外NKT產石英基光子晶體光纖中Yb3+的熒光譜線。對比兩圖可得出，實驗用摻鐿光子晶體光纖的熒光譜線與NKT產摻鐿光子晶體光纖的熒光譜線相吻合。實驗用摻鐿光子晶體光纖1000nm后的發射峰值在1044nm附近，稍偏離NKT摻鐿光子晶體光纖的1031nm，這是因為光纖的結構和Yb3+的摻雜濃度會對發射截面譜線產生影響。

Fig.3 a—fluorescence spectra of experimental PCF at 6W incident power b—fluorescence spectra of Yb3+in silica PCF made by NKT

圖4 是不同腔結構的光子晶體光纖激光器的輸出光譜圖。圖4a和圖4b是以平面鏡作為后腔鏡的腔結構分別在抽運功率30W和35W時的輸出光譜；圖4c和圖4d是以平凹鏡作為后腔鏡的腔結構分別在抽運功率30W和35W時的輸出光譜。從光譜圖上可以看出，以平面鏡作為后腔鏡的腔結構的輸出激光線寬約10nm，大于以平凹鏡作為后腔鏡的腔結構的輸出激光的5nm；而且，前者的輸出激光是雙峰激射，模式競爭現象明顯。通過分析上述實驗現象得出結論：以平凹鏡作為后腔鏡的腔結構的輸出激光波長比以平面鏡作為后腔鏡的腔結構的輸出激光波長更加穩定，模式競爭現象更弱，且線寬更窄。以平面鏡作為后腔鏡時，后腔鏡和光纖前端面間存在F-P選頻效應，外界環境引起后腔鏡的抖動會引發激射光波長的跳變，引起多模式振蕩，各模式間的模式競爭和耦合效應會降低激光器的輸出穩定性和激光線寬，而改用平凹鏡作為后腔鏡的腔結構，避免了腔鏡和光纖前端面間的F-P選頻效應，可以改善上述不利現象。更為重要的是，當反射鏡與某一波導腔外模相匹配時，該模式可精準地返回波導口而不引入損耗，但其它模式經過一周所經的相移不同，當它們返回波導口時會引入一定的損耗而被消弱進而湮滅。因此，以平凹鏡作為后腔鏡的腔結構的輸出激光波長更加穩定，模式競爭現象更弱，且線寬更窄。

圖5是不同腔結構的光子晶體光纖激光器的輸出功率特性。由圖可知，以平凹鏡作為后腔鏡的腔結構（p-c cavity）的斜率效率是11%，大于以平面鏡作為后腔鏡的腔結構（p-p cavity）的9%。平凹鏡作為后腔鏡的腔結構比以平面鏡作為后腔鏡的腔結構具有更好的模式相匹配，使激光器運行穩定且具有較高的效率，而且，從另一方面理解，凹面鏡的聚光作用使更多的激射光反射匯聚進纖芯，提高了腔結構的斜率效率。

Fig.4 Output spectra of two different resonant cavities

Fig.5 Output power characteristics of two different resonant cavities

3 結 論

通過對比實驗中所用光纖和國外NKT的光子晶體光纖的熒光譜線可知，兩者的發射熒光譜線相吻合；并通過對比兩種不同腔結構的激光輸出特性得到結論：以平凹鏡作為后腔鏡的腔結構的模式更穩定、線寬更窄，并且效率更高。

本實驗中的光子晶體光纖激光器的斜率效率較低，分析原因如下：（1）光纖端面沒有拋光處理，耦合效率較低；（2）為了提高熱損傷閾值而在光路中插入了一個45°二色平面鏡增加了插入損耗。下一步可以克服以上不足，進一步提高光子晶體光纖激光器的斜率效率。

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Experimental study about the cavity of Yb3＋-doped photonic crystal fiber laser

LIU Zonghua，ZHENG Yi
（School of Science，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

To optimize the fiber laser cavity，an Yb3+-doped double-cladding photonic crystal fiber（PCF）was pumped with a 110W multimode LD at central wavelength of976nm，and the PCF laser characteristics were examined.A dichroic flat mirror and a dichroic flat-concave mirror were used as the back cavity-mirror respectively.There happened the model competition phenomenon in the first laser.And the line width of the PCF laser with a flat-concave mirror as the back cavity-mirror was about5nm，while another one was above 10nm.Besides，slope efficiency of the former was 11%，and the latter’s was just9%.It has stable model，narrower emission line width and higher slope efficiency in the PCF-laser with a flat-concave mirror as the back cavity-mirror.

laser technique；fiber laser；Yb3+-doped photonic crystal fiber；backward pumping；waveguide cavity

TN248.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.023

1001-3806（2014）01-0105-04

劉宗華（1988-），男，碩士研究生，主要從事光纖激光器方面的研究。

*通訊聯系人。E-mail：bjtu_laser＠163.com

2013-03-15；

2013-05-27