全固光子帶隙光纖濾波1 126 nm摻鐿光纖激光器

閆培光，李會權(quán)，張格霖，黃詩盛，林榮勇

深圳大學(xué)激光工程重點實驗室，深圳518060

近紅外激光器可倍頻產(chǎn)生可見光，因此引起廣泛研究興趣［1-2］.光纖激光器因可靠性高、體積小和光束質(zhì)量高等優(yōu)點是理想的近紅外激光器.摻鐿光纖具有非常寬的自發(fā)熒光譜，理論上可以發(fā)射976～1 200 nm波長范圍的激光［3］，倍頻可實現(xiàn)藍(lán)光、綠光和黃橙光.相比傳統(tǒng)復(fù)雜的染料激光［4］、全固態(tài)和頻激光技術(shù)［5-7］，摻鐿光纖激光器具有強(qiáng)勢競爭.但實際中摻鐿光纖激光器的輸出波長多在1 000～1 120 nm，很難得到976 nm或1 120～1 180 nm的高功率“移頻”激光輸出.即使利用光纖光柵強(qiáng)制選頻，也難以消除1 060 nm附近的寄生激光，歸根到底是由于鐿離子的熒光增益譜決定.因此制作高功率的移頻光纖激光器，關(guān)鍵在于修正稀土離子的熒光增益譜，通過抑制增益強(qiáng)的波段使弱增益波段形成激光振蕩.Sinha等［8］在摻鐿光纖激光器諧振腔內(nèi)引入一段長度為2 m的高摻雜鐿光纖來吸收兩邊低摻雜鐿光纖的常規(guī)波段自發(fā)輻射，實現(xiàn)波長為1 150 nm的激光輸出，通過倍頻產(chǎn)生40 mW黃光;Kurkov等［9］利用970 nm半導(dǎo)體激光器直接泵浦GTWave光纖得到1 160 nm的激光，輸出功率為3.2 W;Ota等［10］利用腔內(nèi)透鏡濾波得到波長1 178 nm，輸出功率為6.5 W的摻鐿光纖激光器.

利用摻鐿光纖做拉曼激光器也可產(chǎn)生近紅外激光［11］.然而拉曼過程的非線性效應(yīng)及受激布里淵散射使窄線寬激光器的實現(xiàn)變得困難，不利于倍頻產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)可見光激光.摻鉍激光器的輸出波長更寬，然而在1.2 μm附近的最大效率僅為32%，且需要波長為1 μm的高能量摻鐿光纖包層泵浦才能產(chǎn)生［12-14］.

采用摻鐿全固態(tài)光子帶隙光纖(all-solid photonic bandgap fiber，AS-PBGF)研制移頻光纖激光器已成為研究熱點.AS-PBGF借助包層高折射率摻鍺玻璃線陣列形成的光子帶隙效應(yīng)，也稱為反共振反射波導(dǎo)機(jī)制 (antiresonantreflectingoptical waveguide，ARROW)，將處于帶隙內(nèi)的光子限制在實芯內(nèi)傳輸.相鄰帶隙間存在一個禁帶，由于在這些波長上纖芯內(nèi)傳導(dǎo)模與摻鍺玻璃線中的高階模發(fā)生共振耦合，因此損耗極大.利用光子帶隙效應(yīng)可改變稀土離子的熒光增益譜，其原理是將禁帶設(shè)計在熒光譜的強(qiáng)增益區(qū)，即可有效抑制寄生激光，有利于提高移頻光纖激光器的功率.

文獻(xiàn)［15-21］利用摻鐿PBGF直接獲得非常規(guī)波段激光輸出.Shirakawa等［18］利用摻鐿PBGF制作波長為1 150～1 200 nm的光纖放大器;Fevrier等［17］利用雙包層大模場面積摻鐿PBGF產(chǎn)生高效的激光輸出;Masahiro［19］利用摻鐿保偏固態(tài)PBGF搭建線偏振的1級光纖激光器，輸出功率大于10 W;Pureur［21］用摻鐿實芯光子帶隙光纖(solid core photonic bandgap fiber，SC-PBGF)制作波長在980 nm附近激光器;Fan等［15］利用摻鐿PBGF制作1 178 nm激光器，輸出功率為53.6 W.

摻鐿PBGF具有高效、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，但其需特別定制，花費昂貴.本研究中AS-PBGF與摻鐿光纖分開，利用自主設(shè)計的AS-PBGF，其禁帶恰好位于鐿光纖強(qiáng)增益區(qū)，可對摻鐿光纖進(jìn)行濾波選頻.利用光纖光柵對組成諧振腔，得到波長為1 126 nm的激光輸出.使用普通摻鐿光纖，不僅成本低廉，且通過選擇不同的光柵對，就可得到弱增益區(qū)的其他波長激光輸出.

1 實驗

所用AS-PBGF由武漢長飛光纖光纜有限公司制作［22］，其端面結(jié)構(gòu)如圖1(a).鍺棒的中心間距為9.3 μm，直徑為4.06 μm，為優(yōu)化光纖限制損耗與彎曲特性，設(shè)計鍺棒的折射率為類拋物線型分布，最大折射率差為0.034 5，鍺棒周圍有1層氟化物摻雜的折射率低陷區(qū).光纖模場直徑在1 550 nm處為10.9 μm，適合與單模摻鐿光纖進(jìn)行低損熔接.AS-PBGF的1個禁帶位于1 030～1 124 nm，恰好處于摻鐿光纖的強(qiáng)增益區(qū)，可用于鐿的強(qiáng)增益區(qū)抑制.圖1(b)為所用光纖帶隙，虛線為理論模擬曲線，實線為實測曲線.光纖在1 550 nm處的損耗為0.41 dB/km，可見帶通光波在纖芯內(nèi)的損耗很低.

圖1 AS-PBGF端面與帶隙圖Fig.1 The cross section and bandgap of the AS-PBGF used in experiment

全固光子帶隙光纖從技術(shù)層面上講，即使光纖制作工藝的精度不能達(dá)到理想設(shè)計的頻移量，也可通過改變光纖的纏繞半徑對鐿離子的熒光光譜范圍進(jìn)行修正.光纖的帶隙寬度隨纏繞半徑縮小而減小，改變光纖的纏繞半徑能適度改變帶隙/禁帶的寬度，如圖2.

圖2 纏繞半徑對超連續(xù)譜輸出光譜的影響Fig.2 The transmission spectra of AS-PBGF obtained by butt-coupling a supercontinuum source

實驗裝置如圖3.使用帶尾纖輸出的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，其輸出波長為974 nm，最大輸出功率為408 mW.增益光纖為5.6 m長的摻鐿光纖，其在974 nm處的吸收系數(shù)為6.5 dB/m，數(shù)值孔徑為0.15，在1 085 nm 處的模場直徑為5.4 μm.光纖自發(fā)熒光波長范圍為1 020～1160 nm，放大的自發(fā)輻射主要集中在1 060 nm附近.由于1 126 nm處的發(fā)射截面較小，因此在摻鐿光纖后面熔接一段長為2 m的AS-PBGF對其強(qiáng)增益區(qū)進(jìn)行壓制，再利用中心波長為1 126 nm的光柵對諧振腔進(jìn)行強(qiáng)制選頻.光纖光柵的通光帶寬為0.38 nm，前端反射率高于99%，后輸出端透過率為55%.使用Fujikuwa FSM60S光纖熔接機(jī)，通過多次熔接測試，使損耗降低至1.05 dB.

圖3 實驗裝置圖Fig.3 Experimental setup

2 結(jié)果與討論

圖4為激光器輸出功率和泵浦功率關(guān)系曲線.受泵浦源功率限制，最大輸出功率為1.8 mW，轉(zhuǎn)換效率較低.這主要由于:① 所使用摻鐿光纖為單包層，且泵浦功率較低;②摻鐿光纖在1 126 nm處的發(fā)射截面很小.通常會采用對摻鐿光纖進(jìn)行加熱，使光纖在1.2 μm波長附近有更大的發(fā)射截面，以提高輸出功率，但受實驗條件所限未能進(jìn)行.

圖4 輸出功率隨泵浦功率變化曲線Fig.4 Output power versus pump power

由圖2可見，AS-PBGF的禁帶會隨光纖彎曲程度不同而發(fā)生微小變化，彎曲半徑越小，禁帶越寬［15，22］.實驗過程中為避免產(chǎn)生激光被禁帶覆蓋，令纏繞半徑為250 mm，使禁帶基本沒有受到彎曲的影響.圖5為長度為0.8 m的AS-PBGF輸出激光隨纏繞半徑變化.從圖5(a)和(b)可知，當(dāng)纏繞半徑小于25 mm時，禁帶已經(jīng)抑制了1 126 nm的ASE，不能輸出激光.圖6是實驗得到的激光光譜圖，可見974 nm泵浦光已被完全吸收，ASE也得到很好抑制，僅有少量殘余，振蕩激光強(qiáng)度比殘余ASE高近50 dB.輸出激光的譜寬為0.4 nm，可作為MOPA放大激光器的理想種子源.

圖5 長度為0.8 m的AS-PBGF在不同纏繞半徑時的輸出激光光譜Fig.5 The output spectra with different coiling radii of the 0.8 m AS-PBGF

圖6 輸出激光光譜Fig.6 Output spectra of the laser

結(jié) 語

本研究將AS-PBGF與摻鐿光纖分開，利用全固光子帶隙光纖的帶隙效應(yīng)實現(xiàn)光譜濾波，實現(xiàn)非常規(guī)波段的1 126 nm移頻光纖激光器，具有全光纖化及成本低廉的特點.由于實驗使用單包層光纖，且泵浦源功率低，致使輸出激光的功率較低.選擇雙包層摻鐿光纖，有望提高輸出功率.

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