专利名称：一种光子带隙光纤及光子带隙光纤激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光纤及光纤激光技术，尤其涉及一种光子带隙光纤及光子带隙光 纤激光器。
背景技术：
光子晶体光纤(PCF)由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，吸引了学术界和产 业界的广泛关注，在短短的十年内PCF的研究取得了很大的进展。光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成 为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成， 通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得 PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。按导光机 理来说，PCF可以分为两类全内反射型(TIR)光子晶体光纤和光子带隙光纤(PBGF)。目前 国内外的研究工作多集中在全内反射型(TIR)光子晶体光纤，然而，光子带隙光纤(PBGF) 在理论和技术层面上具有更深层和更广泛的发展空间和潜力。尤其是，利用光纤内的光子 带隙效应可以控制稀土离子的荧光光谱增益，这为产生新颖谱线的激光激射提供了崭新的 理念和全新的方案。光纤激光器具有高效率、高光束质量、结构紧凑以及易于使用和维护等诸多优异 性能，在非线性频率变换、高精度激光加工、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域均具 重要应用。常规的掺镱光纤激光技术已比较成熟，且已有商品出售。黄色激光在激光显示、 天文学中激光导引星(LGS)、医学上眼科和鲜红斑痣治疗、军事上空间目标探测与识别以 及分子生物学、化学等领域具有重要应用，因此如何获得大功率的黄色激光是当前国际技 术领域的一大研究热点。但是常规光纤激光性能的再提高面临诸多技术难题，光子晶体光 纤(PCF)为解决这些技术难点提供了新思路和新方法。因为PCF具有独特的波导结构和 新颖的导光原理，它设计自由、制作开放(Mack-draw方法)，易实现双包层、大的模场面积 (LMA)、单一偏振模式乃至多芯光纤(MCF)等各种设计。近来有源PCF的设计、制造技术和 PCF激光器件研究取得重大进展，展现了 PCF显著的技术优势和光明的应用前景。与采用倍 频效应获得绿光、红光的方法相比，目前基于和频、受激喇曼等非线性效应产生黄色激光技 术的转换效率和输出功率较低，研制高效率、高功率的黄光激光器尚存在难以突破的技术 难题。利用较为成熟、效率相对较高的激光倍频技术，仍是目前获得黄色激光的可行方案。 问题的关键是如何获得处于1100 1200nm波段高功率激光振荡。众所周知，镱离子的固 有优势自发辐射光谱处于1030 IlOOnm波段，要使镱离子的自发辐谱移至1100 1200nm 波段，必须充分抑制1030 IlOOnm范围内的更强光谱增益，对此已有一些研究工作报道。 例如，高温加热光纤改变增益谱法、光纤光栅对选频法等，但这些方法都无法得到令人满意 的结果。基于光子带隙光纤自身的光子带隙效应，控制稀土离子的荧光光谱增益的理念令 人耳目一新。因为光子带隙之外的光子传输损耗剧烈，只有光子处于带隙之内才能低损耗 传输。[0004]现在已有的技术方案是直接研制掺镱的全固态光子带隙光纤即有源的光子带隙 光纤，已有的资料如下1. 2006年，Bath大学报导了一种运转于三能级的掺钕离子光子带隙光纤激光器， 激光波长为907nm，阈值功率为70mW，斜率效率为32%。这是最早利用PBG (光子带隙)效 应对自发辐射的光谱增益进行修正的实验，但激光器的功率和效率都很低。2. 2008年2月，Pureur首次报导了工作波长为977nm的％-PBGFL (掺镱光子带隙 光纤激光器)，成功抑制了 IOOOnm长波方向的ASE (放大的自发辐射)，仅使977nm的ASE形 成激光，实验采用99% 4%的腔结构，得到977nm的激光输出为220mW，斜率效率为65%。 从输出功率看，还较低。3. 2008年8月，丹麦晶体光纤公司Olausson等人研制了两根双包层掺镱PBGF(光 子带隙光纤)，型号为％-PBGF-A的光纤带隙中心位于1140nm，型号％_PBGF_B的光纤带隙 中心位于1180nm，带隙之外的IOOOnm IlOOnm的光被抑制。但上述双包层光纤的缺点是包层中的掺锗玻璃线会捕获小部分的泵浦光，一定程 度上降低光光转换效率，此外，有源带隙光纤难以实现大模面积，故而难以研制高功率的黄 光激光器。
实用新型内容本实用新型实施例的目的在于提供一种光子传输损耗低且具有偏振光输出的光 子带隙光纤，旨在解决光子传输损耗高、输出光倍频效率低的问题。本实用新型实施例的另一目的在于提供一种效率高、功率大的光子带隙光纤激光器。本实用新型实施例是这样实现的，一种光子带隙光纤，包括包层和设于所述包层 内的纤芯，所述包层由外包层和内包层构成，所述外包层与内包层之间设有多个空气孔，所 述纤芯的外侧设有由多根高折射率玻璃线组成的微结构阵列，所述微结构阵列之间设有低 折射率掺杂区，所有折射率的高低都是相对纤芯的折射率而言的。本实用新型实施例提供的光子带隙光纤中所述空气孔呈矩形，多个空气孔沿所述 内包层的周向排列形成一个大圆圈。本实用新型实施例提供的光子带隙光纤中所述微结构阵列呈三角形，其设在所述 纤芯相对的两个外侧。本实用新型实施例提供的光子带隙光纤中所述玻璃线为高折射率掺锗玻璃线，所 述掺锗玻璃线的折射率呈梯度变化。本实用新型实施例提供的光子带隙光纤中所述掺锗玻璃线的外围设有掺氟低折 射率环。本实用新型实施例提供的光子带隙光纤中所述掺杂区为低折射率掺硼玻璃区，呈 梯形。本实用新型实施例的另一目是这样实现的，一种光子带隙光纤激光器，包括泵浦 激光器、由第一光纤光栅与第二光纤光栅构成谐振腔和设于所述谐振腔内的掺镱光纤，所 述泵浦激光器的输出端与第一光纤光栅的输入端相接，所述第一光纤光栅的输出端与掺镱 光纤的输入端相接，所述掺镱光纤的输出端与第二光纤光栅的输入端相接，所述第二光纤光栅输出的光经过倍频产生黄光，所述谐振腔内还有设上述光子带隙光纤。本实用新型实施例提供的光子带隙光纤激光器中所述光子带隙光纤接在所述第 一光纤光栅的输出端与掺镱光纤的输入端之间、所述掺镱光纤的输出端与第二光纤光栅的 输入端之间、或者同时接在所述第一光纤光栅的输出端与掺镱光纤的输入端之间和掺镱光 纤的输出端与第二光纤光栅的输入端之间。本实用新型实施例提供的光子带隙光纤激光器中所述掺镱光纤为普通掺镱双包 层大模光纤。本实用新型实施例提供的光子带隙光纤激光器中所述光子带隙光纤弯曲。本实用新型光子带隙光纤设于内包层的矩形空气孔可以提高内包层的数值孔径。 梯度变化的高折射率掺锗玻璃线构成的微结构阵列与低折射率掺硼玻璃区形成的混杂结 构，能够实现光纤的PBG效应和偏振输出，其中PBG效应可以抑制寄生振荡，由于掺锗玻璃 线位于包层内，使光子处于带隙之内传输，因而光子传输损耗低；而低折射率掺硼玻璃区提 供应力双折射，使光纤获得偏振光输出，输出的偏振光有利于提高晶体倍频的效率。在掺锗 玻璃线外围设有掺氟低折射率环可增加光纤的韧性，使其具有良好的弯曲性能。本实用新型光子带隙光纤激光器将无源的光子带隙光纤与普通掺镱双包层大模 光纤组合使用，其中无源的光子带隙光纤起到对镱的荧光光谱修正的目的。当把无源的光 子带隙光纤引入激光器的谐振腔内后，能够把1000 IlOOnm的荧光充分抑制，而原来荧光 增益较弱的1100 1200nm的光波则处于光子带隙内，传输损耗低。因而此激光器能够抑 制1000 IlOOnm荧光的寄生振荡，实现高效率、大功率1100 1200nm激光的输出，相应倍 频产生的黄光效率高、功率大。与掺镱的光子带隙光纤相比，无源光子带隙光纤易于实现大 模面积设计，可以和普通的双包层大模面积掺镱光纤熔接在一起，便于实现1100 1200nm 波长范围内的更高的功率输出。本装置直接利用光纤激光器产生1100 1200nm的激光， 然后倍频产生黄光，这种直接倍频更高效。此外，还可通过弯曲无源的光子带隙光纤，改变 镱的荧光光谱，从而改变激光器的激发波长，由此可制成可调谐光纤激光器。
图1是本实用新型实施例提供的光子带隙光纤横截面示意图；图2是掺锗玻璃线结构示意图；图3是本实用新型实施例提供的光子带隙光纤激光器结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，
以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本实用新型，并不用于限定本实用新型。如图1所示，本实用新型光子带隙光纤为由外包层1和内包层2构成的双包层结 构。所述外包层1与内包层2之间设有多个空气孔3，所述空气孔3呈矩形，所述空气孔3 沿内包层的周向排列形成一个大圆圈，这样可以提高内包层的数值孔径。为同时实现光纤 的PBG效应(光子带隙效应)和偏振设计，本实用新型的内包层内采取一种hybrid (混杂) 结构。hybrid结构中纤芯4相对的两个外侧设由多根高折射率玻璃线组成的微结构阵列6，所述微结构阵列6呈三角形，所述玻璃线为高折射率掺锗玻璃线5，此掺锗玻璃线5的折 射率呈梯度变化，这样就能够在光纤内产生PBG效应并利用该效应对镱的荧光增益进行径 向上的滤波即可以抑制寄生振荡，由于掺锗玻璃线位于内包层，使光子处于带隙之内传输， 因而光子传输损耗低；所述微结构阵列之间设有低折射率掺杂区7，所述掺杂区7呈梯形， 本实施例中掺杂区7为低折射率掺硼玻璃区，能提供应力双折射，使光纤获得偏振光输出， 输出的偏振光有利于提高晶体倍频的效率。如图2所示，所述掺锗玻璃线5的外围设有掺氟低折射率环8，此低折射率环8可 增加光纤的韧性，使其具有良好的弯曲性能。如图3所示，采用上述光子带隙光纤的激光器包括泵浦激光器9、由第一光纤光栅 10与第二光纤光栅11构成谐振腔和设于谐振腔内的掺镱光纤12，所述第一光纤光栅10和 第二光纤光栅11的反射波长位于1100 1200nm，所述掺镱光纤12为普通掺镱双包层大模 光纤。所述泵浦激光器9的输出端与第一光纤光栅10的输入端相接，第一光纤光栅10的 输出端与掺镱光纤12的输入端相接，掺镱光纤12的输出端与第二光纤光栅11的输入端相 接。所述第一光纤光栅10的输出端与掺镱光纤12的输入端之间接入光子带隙光纤13、所 述掺镱光纤12的输出端与第二光纤光栅11的输入端之间接入光子带隙光纤13、或者第一 光纤光栅10的输出端与掺镱光纤12的输入端之间和掺镱光纤12的输出端与第二光纤光 栅11的输入端之间均接入光子带隙光纤13。本实用新型实施例将光子带隙光纤13和掺 镱光纤12分开，掺锗玻璃线在包层中不连通，在掺镱光纤12前的光子带隙光纤13中，掺锗 玻璃线对泵浦光无论怎样吸收都无所谓，因为最终还注入到掺镱光纤12的内包层中，而在 后端的光子带隙光纤13，由于大部分泵浦光已经被掺镱光纤12的纤芯吸收，它的吸收被大 大弱化。所述泵浦激光器9输出的泵浦光约为975nm，所述第二光纤光栅11输出1100 1200nm的光经过倍频晶体(ΒΒ0、ΚΤΡ等)倍频产生高功率的黄光。本激光器将无源的光子 带隙光纤13与普通掺镱双包层大模光纤组合使用，其中无源的光子带隙光纤1起到对镱 的荧光光谱修正的目的。当把无源的光子带隙光纤13引入激光器的谐振腔内后，能够把 1000 IlOOnm的荧光充分抑制，而原来荧光增益较弱的1100 1200nm的光波则处于光 子带隙内，传输损耗低，能够有效降低激光器运转时包层中掺锗玻璃线对泵浦光的吸收浪 费。因而此激光器能够抑制1000 IlOOnm荧光的寄生振荡，实现高效率、大功率1100 1200nm激光的输出，相应倍频产生的黄光效率高、功率大。与掺镱的光子带隙光纤相比，无 源光子带隙光纤13易于实现大模面积设计，可以和普通的双包层大模面积掺镱光纤熔接 在一起，便于实现1100 1200nm波长范围内的更高的功率输出。本装置直接利用光纤激 光器产生1100 1200nm的激光，然后倍频产生黄光，这种直接倍频更高效。此外，还可通 过弯曲无源的光子带隙光纤，改变镱的荧光光谱，从而改变激光器的激发波长，由此可制成 可调谐光纤激光器。本实用新型中所有折射率的高低都是相对纤芯的折射率而言的。此外，本实用新 型以SiO2背景材料。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本 实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型 的保护范围之内。
权利要求1.一种光子带隙光纤，包括包层和设于所述包层内的纤芯，所述包层由外包层和内 包层构成，其特征在于，所述外包层与内包层之间设有多个空气孔，所述纤芯的外侧设有由 多根高折射率玻璃线组成的微结构阵列，所述微结构阵列之间设有低折射率掺杂区，所有 折射率的高低都是相对纤芯的折射率而言的。
2.如权利要求1所述的光子带隙光纤，其特征在于，所述空气孔呈矩形，多个空气孔沿 所述内包层的周向排列形成一个大圆圈。
3.如权利要求1所述的光子带隙光纤，其特征在于，所述微结构阵列呈三角形，其设在 所述纤芯相对的两个外侧。
4.如权利要求1所述的光子带隙光纤，其特征在于，所述玻璃线为高折射率掺锗玻璃 线，所述掺锗玻璃线的折射率呈梯度变化。
5.如权利要求4所述的光子带隙光纤，其特征在于，所述掺锗玻璃线的外围设有掺氟 低折射率环。
6.如权利要求1所述的光子带隙光纤，其特征在于，所述掺杂区为低折射率掺硼玻璃 区，呈梯形。
7.一种光子带隙光纤激光器，包括泵浦激光器、由第一光纤光栅与第二光纤光栅构 成谐振腔和设于所述谐振腔内的掺镱光纤，所述泵浦激光器的输出端与第一光纤光栅的输 入端相接，所述第一光纤光栅的输出端与掺镱光纤的输入端相接，所述掺镱光纤的输出端 与第二光纤光栅的输入端相接，所述第二光纤光栅输出的光经过倍频产生黄光，其特征在 于，所述谐振腔内还有设权利要求1 6任何一项所述的光子带隙光纤。
8.如权利要求7所述的光子带隙光纤激光器，其特征在于，所述光子带隙光纤接在所 述第一光纤光栅的输出端与掺镱光纤的输入端之间、所述掺镱光纤的输出端与第二光纤光 栅的输入端之间、或者同时接在所述第一光纤光栅的输出端与掺镱光纤的输入端之间和掺 镱光纤的输出端与第二光纤光栅的输入端之间。
9.如权利要求7或8所述的光子带隙光纤激光器，其特征在于，所述掺镱光纤为普通掺 镱双包层大模光纤。
10.如权利要求7所述的光子带隙光纤激光器，其特征在于，所述光子带隙光纤弯曲。
专利摘要本实用新型适用于黄色激光技术，提供了一种光子带隙光纤及光子带隙光纤激光器，所述光子带隙光纤包括包层和设于所述包层内的纤芯，所述包层由外包层和内包层构成，所述外包层与内包层之间设有多个空气孔，所述纤芯的外侧设有由多根高折射率玻璃线组成的微结构阵列，所述微结构阵列之间设有低折射率掺杂区，所有折射率的高低都是相对纤芯的折射率而言的。所述光子带隙光纤具有PBG效应、传输损耗低、偏振输出等特点。基于所述光子带隙光纤的光子带隙光纤激光器输出高效率、大功率1100～1200nm的激光，相应倍频产生的黄光效率高、功率大。
文档编号H01S3/067GK201877671SQ20102059626
公开日2011年6月22日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者杜戈果, 赵健, 郭春雨, 闫培光, 阮双琛 申请人:深圳大学