棒狀光子晶體光纖種子光透鏡耦合分析

李天琦,房巨強,雷 健,李 寶,毛小潔,秘國江,姜東升

(固體激光技術(shù)重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

使用棒狀光子晶體光纖(ROD-PCF)放大是一種新興的超短脈沖放大方式。利用這種光纖可以很容易地得到大模場直徑、高光束質(zhì)量、大平均功率的超短脈沖激光[1]。為了使種子光的功率在棒狀光子晶體光纖中得到充分的放大,并且光束質(zhì)量的損失要最小,種子光與棒狀光子晶體光纖之間的耦合就顯得尤為重要。

種子光耦合進入棒狀光子晶體光纖的方式通常為透鏡耦合,這種耦合方式對透鏡的位置、焦距等要求非?？量?需要經(jīng)過較為復雜的計算與仿真才能獲得合適的透鏡焦距。透鏡耦合系統(tǒng)在調(diào)整的時候具有一定的難度,需要對單個透鏡的多個維度進行調(diào)整,以及對多個透鏡進行配合調(diào)整[2]才能達到最好的效果。種子光的光束質(zhì)量經(jīng)過多個光學系統(tǒng)后可能會出現(xiàn)惡化,應(yīng)當盡可能減少種子光通過的光學系統(tǒng),因此選擇單透鏡耦合作為種子光耦合進入棒狀光子晶體光纖的耦合方式。

種子源產(chǎn)生的光束可以近似為高斯光束,高斯光束到光纖耦合的基本原理就是高斯光束模場與光纖模場的模式匹配[3-4],本文仿真計算了在單透鏡耦合情況下耦合效率與透鏡位置和焦距的關(guān)系。利用λ=1030 nm的SESAM鎖模固體激光器作為種子源(M2≤1.2),對芯徑D=85 μm(模場直徑為DMF=65 μm)的棒狀光子晶體光纖進行了耦合實驗。

2 理論分析

單透鏡耦合系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 單透鏡耦合原理圖

理論推導中的光束為理想基模高斯光束,光學系統(tǒng)中的透鏡為理想透鏡。L是入射光束束腰與光纖端面之間的距離,l1為入射光束束腰與透鏡的距離,l為透鏡與光纖端面之間的距離,ω0為入射光束腰半徑,ω為光纖端面上的光斑半徑。由已知可以得到:

L=l1+l

(1)

設(shè)透鏡焦距為F則該系統(tǒng)的傳播矩陣為:

(2)

由已知入射光束的共焦參數(shù)為:

(3)

則入射光束束腰處的q參數(shù)為:

qin=jf

(4)

通過該系統(tǒng)變換后透鏡平面上的q參數(shù)為:

(5)

則輸出光束束腰與聚焦鏡的距離為:

l2=-Reqout

(6)

輸出光束的共焦參數(shù)為:

f1=Imqout

(7)

輸出光束的束腰半徑為:

(8)

輸出光束在光纖端面上的q參數(shù)為:

q=jf1+l-l2

(9)

輸出光束在光纖端面上的光斑半徑為:

(10)

對于經(jīng)過系統(tǒng)變換后的基模高斯光束,其在光纖端面上的模場分布可以表示為[5]:

(11)

其中,U0為模場振幅,波數(shù)k為:

k=2π/λ

(12)

對于光子晶體光纖,其端面模場分布為可以近似為高斯分布[6-7]:

(13)

其中,UROD-PCF0與DMF分別為ROD-PCF的模場振幅和模場直徑。則理想的耦合效率為[7]:

(14)

3 仿真與分析

結(jié)合式(1)～(14)分別計算出當透鏡焦距、入射光束束腰與光纖端面的距離一定時耦合效率隨透鏡位置的變化關(guān)系以及當透鏡與光纖端面的距離、入射光束束腰與光纖端面的距離一定時耦合效率隨透鏡焦距的變化關(guān)系。對于光纖端面當光束入射并且通過光纖傳導輸出時,光纖的前后兩個端面會產(chǎn)生菲涅爾反射損耗。一般來說單獨一個端面的菲涅爾反射損耗約為3.5%～4%,光纖的前后兩個端面總的菲涅爾反射損耗約為8%左右[6]。當忽略高斯光束與光纖耦合的失準損耗時,前兩種情況下的耦合效率如圖2與圖3所示。模擬計算所用的參數(shù)為:光纖棒的模場直徑DMF=65 μm,所用光束的波長λ=1030 nm,束腰半徑ω0=0.4 mm,光束質(zhì)量M2=1,入射光束束腰與光束端面之間的距離L=885 mm,第一種情況所用的透鏡焦距F=103.26 mm,第二種情況透鏡與光纖端面的距離l=120 mm。

圖2 耦合效率與透鏡位置的關(guān)系

圖3 耦合效率與透鏡焦距的關(guān)系(l1與l為定值)

從圖2可以看出,當入射光束束腰與光纖端面的距離光纖端面以及透鏡的焦距一定時,耦合效率隨著透鏡與光纖端面的距離增大而先增大后減小。從圖3可以看出,當入射光束束腰與光纖端面的距離以及透鏡與光纖端面距離一定時,耦合效率隨著透鏡焦距增大而先增大后減小。兩種情況下最大耦合效率均可達到80%以上。

從圖2中可以看到,當透鏡焦距為103.26 mm且與端面的距離在90～150 mm之間時耦合效率會急劇地變化。從圖3中可以看到,當透鏡固定在距離端面120 mm處時,透鏡的焦距在80～140 mm之間時耦合效率會急劇地變化,。

實驗中可能還會遇到橫向?qū)收`差所帶來的橫向偏移損耗,以及角度誤差所帶來的角度偏移損耗,這兩種損耗也會在一定程度上造成耦合效率的下降,具體的影響情況在所引文獻[6]有很詳細的解釋。因此在實際實驗中,要求耦合透鏡的調(diào)整架有非常高的調(diào)節(jié)精度。

4 實 驗

4.1 實驗方案

實驗所種子源為輸出波長λ=1030 nm、光束質(zhì)量M2≤1.2的SESAM鎖模固體激光器,所用光纖棒為NKT公司生產(chǎn)的aeroGAIN-ROD-PM85,纖芯直徑為D=85 μm、模場直徑DMF=65 μm、纖芯數(shù)值孔徑NA=0.015,為了避免較高的菲涅爾反射損耗,光纖兩端面均鍍有增透膜。在光學實驗臺上分別搭建兩種實驗光路,所使用的透鏡焦距均為F=103.26 mm,M1-M4為45°全反射鏡。實驗光路圖如圖4所示。

圖4 單透鏡耦合實驗光路簡圖

單透鏡耦合的情況下,種子源產(chǎn)生的光束經(jīng)過兩次反射通過隔離器,再經(jīng)過一次反射并由透鏡耦合進入光纖棒。由于光纖棒對于各種對準誤差特別敏感,因此,透鏡的鏡架必須可以調(diào)節(jié)鏡子的前后、左右、上下、俯仰、左右傾斜五個維度并且精度很高。

單透鏡情況下的調(diào)整過程是:首先調(diào)節(jié)M2與M3使光束基本水平,并且左右偏差較小,光斑高度與光纖架的高度基本一致；然后在光路中加入光纖棒,使光纖棒的前端與光斑的中心對準,并調(diào)節(jié)光纖棒的后端,用熒光片反復觀察,直到通過光纖棒的光強度最大為止；接著在光纖棒的后端加入CCD和一個透鏡,并調(diào)節(jié)CCD與透鏡的位置,使得CCD上可以看到光斑的全貌為止；最后將透鏡的放到模擬計算所得到的最佳位置附近,調(diào)整透鏡使得CCD上的光斑為一個接近圓形或圓形的光斑,并且周圍的雜散光亮度最低為止。

測量功率時光路圖如圖5所示。

圖5 功率測量光路簡圖

在測量功率之前在功率計的前面加入一個小孔以阻擋纖芯光以外的雜光,只讓纖芯光進入功率計。之后對輸入和輸出光進行多組測量并計算耦合效率。

4.2 實驗結(jié)果與分析

在單透鏡耦合下分別測量了三組不同輸入功率情況下輸出功率與耦合效率的情況，如表1～3所示。

根據(jù)三組數(shù)據(jù)可以看出,單透鏡情況下耦合效率基本穩(wěn)定在35%～42%,比仿真得到的80%小了將近一半,導致這種情況的主要原因可能有以下幾點:

表1 輸入功率、輸出功率與耦合效率(組1)

表2 輸入功率、輸出功率與耦合效率(組2)

表3 輸入功率、輸出功率與耦合效率(組3)

①種子源的光束質(zhì)量是M2≤1.2并不是仿真中所用的理想狀態(tài)下的基膜高斯光束,這導致了耦合效率的降低。

②種子源輸出的光束在光路中經(jīng)過三次反射和一個透鏡,可能造成質(zhì)量的進一步惡化,這也可能使耦合效率降低。

③耦合透鏡調(diào)整的精度不高造成了各種對準誤差的出現(xiàn),由于光纖對各種對準誤差十分敏感,因此造成了耦合效率的降低。

④由于棒狀光子晶體光纖為增益光纖,光纖中摻雜有Yb3+離子,而光纖中的Yb3+離子對1030 nm的波段有一定的吸收作用,這種吸收在測定過程中是無法避免的,因此導致測得耦合效率偏低。

經(jīng)過上述耦合實驗可以得知:要想得到良好的耦合結(jié)果種子源的光束質(zhì)量必須很高圓度必須要好,只有這樣才可以和光纖的模場形成良好的匹配。并且,所經(jīng)過的光學系統(tǒng)要盡量的少,以避免光束質(zhì)量逐漸惡化。

5 結(jié) 論

本文通過仿真分析了在單透鏡耦合系統(tǒng)下,當光纖和種子源位置固定透鏡位置與耦合效率的關(guān)系,以及當種子源、光纖和透鏡位置均固定時耦合效率與透鏡焦距的關(guān)系。并且對單透鏡耦合情況進行了實驗測定,實驗中通過調(diào)整可以發(fā)現(xiàn)透鏡的最佳位置與仿真結(jié)果相符,但是測量得到的耦合效率由于各種原因低于仿真結(jié)果。通過仿真分析與實驗測定的結(jié)果,得到了后續(xù)放大實驗的改進方案,對后續(xù)實驗的進行起到了關(guān)鍵性的作用。

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