专利名称：一种光子带隙光纤及移频光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤技术领域，尤其涉及一种光子带隙光纤及移频光纤激光器。
背景技术：
基于光子带隙效应的“移频光纤激光器”研究是当今光纤激光器领域的前沿研究课题。通常掺镱光纤激光器的输出波长在1000-1120nm之间，人们难以得到976nm或者 1120-1 ISOnm的高功率“移频”激光输出。然而后两个波长的光纤激光器极具吸引力，它们倍频是产生蓝光和黄光激光的一种新的技术途径。研究中发现即使用光纤光栅对强制选频，也难消除lOeOnm附近的寄生激光，归根到底这由镱离子的荧光增益谱决定。因此制作高功率的“移频光纤激光器”，关键在于修正稀土离子的荧光增益谱，通过抑制增益强的波段实现弱增益波段的激光激发。其中，全固态光子带隙光纤是近年来广泛研究的一种新型光纤，其借助于包层中高折射率的掺锗玻璃线阵列所形成的光子带隙效应，(注也有论文称之为“反共振反射波导机制”，简写为ARROW)，将处于带隙内的光子限制在实芯内传输。在相邻带隙之间存在一个“损耗区”，在它内部的光子损耗极大，是因为在这些波长上纤芯内传导模与掺锗玻璃线中的高阶模发生共振耦合。利用光子带隙效应可改变稀土离子的荧光增益谱，原理是将 “损耗区”设计在荧光谱的强增益区，就可有效抑制寄生激光，有利于提高“移频光纤激光器”的功率。在全固光子带隙光纤的实芯内，可以进行稀土掺杂、光栅写入。从技术层面上讲， 即使光纤制作工艺的精度不能完全达到理想设计的频移量，还可以通过改变光纤的缠绕半径对镱离子的荧光光谱范围进行修正。因为光纤的带隙宽度随着缠绕半径缩小而减小，改变光纤的缠绕半径能“适度”改变带隙/ “损耗区”的宽度。但是基于上述原理实现的单包层结构的光纤功率和转换效率都很低，双包层结构的光纤最大功率也只有30W。目前，制约此类“移频光纤激光器”功率进一步提升的主要“瓶颈”是1)高掺镱全固光子带隙光纤难以实现大模场面积设计。由于激光被移频到荧光谱的弱增益区，光纤必须高掺镱离子才能提供激光器运转所需的足够增益。而高掺镱会相应提高纤芯折射率并增强对模场的限制能力，反过来势必需要包层中掺锗玻璃线更靠近纤芯，以便发生更强的共振耦合形成“损耗区”来抑制强增益区，这限制了模场面积变大。2、光纤包层中含有的高折射率掺锗玻璃线会捕获部分泵浦光，导致降低光光转换效率，因而在实际光纤制作中人们期望用尽量少的玻璃线提供光子带隙效应。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种光子带隙光纤，旨在利用光子带隙效应来抑制强增益区的寄生激光。本发明是这样实现的，一种光子带隙光纤，包括外包层、由若干空气孔形成的环状内包层、包裹在所述内包层内的纤芯，所述内包层中包含有掺锗玻璃线，所述纤芯中掺氟。
本发明还提供了一种移频光纤激光器，包括顺次熔接的合束器、第一光纤光栅、第一光子带隙光纤、高掺镱光纤、第二光子带隙光纤、第二光纤光栅；所述第一光子带隙光纤和所述第二光子带隙光纤均为如上所述的光子带隙光纤；所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的反射波长相同但反射率不同。本发明还提供了一种黄光光纤激光器，包括一如上所述的移频光纤激光器，还包括一对所述移频光纤激光器产生的激光进行倍频处理的倍频器；其中，所述合束器的输入端与一 976nm的泵浦源熔接，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的反射波长范围为1150nm-1180nm，所述第一光纤光栅对976nm的泵浦光高透过且对其反射波长范围内的光高反，所述第二光纤光栅对其反射波长范围内的光可反射。本发明还提供了一种蓝光光纤激光器，包括一如上所述的移频光纤激光器，还包括一对所述移频光纤激光器产生的激光进行倍频处理的倍频器；其中，所述合束器的输入端与一 915nm的泵浦源熔接，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的反射波长为976nm，所述第一光纤光栅对976nm的光高反，所述第二光纤光栅对976nm的光可反射。本发明提供的第一种光子带隙光纤通过在全固态光子带隙光纤的纤芯内施加一个轻微的折射率下陷，有效增强“损耗区”内模场与掺锗玻璃线的共振耦合，进而减少包层中掺锗玻璃线的数目，减小了包层中玻璃线对泵浦光的吸收，上述光子带隙光纤可应用于移频光纤激光器，能有效杜绝包层中掺锗玻璃线对泵浦光的吸收浪费。利用光纤光栅对的选频作用和光子带隙光纤的“抑制寄生激光振荡”的作用，实现全光纤化大功率“移频光纤激光器”。
图1是本发明实施例提供的光子带隙光纤的端截面结构图；图2是图1所示结构光子带隙光纤加入下陷后模场的演化示意图；图3是采用图1所示光子带隙光纤实现的移频光纤激光器的结构图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。本发明从光子带隙效应对镱离子荧光增益谱的修正理论，在减少包层中掺锗玻璃棒数目的前提下，实现大模场光子带隙光纤的设计。本发明实施例提供的光子带隙光纤包括外包层、内包层和纤芯，其中内包层由若干空气孔形成且含有掺锗玻璃线，纤芯包裹在内包层内部并掺氟，图1示出了本发明实施例提供的光子带隙光纤的端截面结构，其中区域A代表纤芯，区域B代表内包层中掺锗玻璃线的部分。通过在纤芯中适当掺氟，形成折射率“下陷区”，通过优化下陷区的半径和“下陷度”，可将模场形状由高斯形变成类似平顶形，能量被“下陷区”推向外侧，模场形状如图2所示。此纤芯掺氟的光子带隙光纤更易和掺锗玻璃线共振耦合实现大模面积设计。同时该设计能显著减少包层中掺锗玻璃线的数目，降低其对泵浦光的吸收。包层中仅用6根锗玻璃线，如图1中的区域B所示，同时为增强对带隙内光子的限制，锗玻璃线外加一层掺氟玻璃。 结构图中包层内的其它小圆可为空气孔，也可为低折射率掺氟玻璃。图3为采用图1所示光子带隙光纤实现的移频光纤激光器，输出端光纤光栅的反射率、光子带隙光纤和普通掺镱光纤的长度通过理论设计和实验实现最优化。输出光谱、光束质量以及功率特性分别用0SA、光束质量分析仪和功率计测量。图3所示的移频光纤激光器包括顺次熔接的合束器41、第一光纤光栅42、第一光子带隙光纤43、高掺镱光纤44、第二光子带隙光纤45、第二光纤光栅46，其中，合束器41与泵浦源熔接，如采用LD (半导体激光器)类型的泵浦源，而第一光子带隙光纤43和第二光子带隙光纤45均为上文所述的光子带隙光纤。上述移频光纤激光器可用于不同颜色的光，具体可通过选用图3中各器件合适的参数实现。对于通过上述光纤激光器实现的黄光光纤激光器，需在图3的基础上增加一倍频器，此倍频器用于对移频光纤激光器产生的激光进行倍频处理，具体可在图3中的第二光纤光栅46处直接熔接该倍频器，并且要求与合束器41的输入端熔接的泵浦源的泵浦光为 976nm，第一光纤光栅42和所述第二光纤光栅46的反射波长范围为1150nm-1180nm，第一光纤光栅42对976nm的泵浦光高透过且对其反射波长范围内的光高反，第二光纤光栅46 对其反射波长范围内的光可反射，例如以IlSOnm的光为例，第一光纤光栅42对976nm的泵浦光高透过而对IlSOnm是高反的；第二光纤光栅46则对IlSOnm可反射，比如反射率为20%，这样即可实现IlSOnm的光纤激光器。其中，光子带隙光纤的作用是用来抑制在 1. 03um-l. 15um之间的荧光辐射，它对此范围的光波长是高损耗的，而对于1. 15um之后的波长是高透过的，因而能够实现将光纤激光器的频率移到长波长一端。再进一步利用倍频器(如倍频晶体LB0)则以将光倍频实现590nm的黄光输出。对于通过上述光纤激光器实现的蓝光光纤激光器，同样需在图3的基础上增加一用于对移频光纤激光器产生的激光进行倍频处理的倍频器，该倍频器也可以与图3中的第二光纤光栅46直接熔接，此时要求与合束器的输入端熔接的泵浦源的光915nm，第一光纤光栅42和第二光纤光栅46的反射波长为976nm，第一光纤光栅42对976nm的光高反，第二光纤光栅46对976nm的光可反射。此时第一光纤光栅42对976nm的光高反射，第二光纤光栅46则对976nm的光是可反射，比如反射率为20%。同样可以利用光子带隙光纤的作用， 使发射的激光在976nm。而976nm的光纤激光器最终又可以通过倍频晶体如LBO将光倍频到488nm，实现蓝光输出。针对目前移频光纤激光器功率难以提升的“瓶颈”问题，本发明提供的激光器的方案可从原理上杜绝包层中掺锗玻璃线对泵浦光的吸收。而本移频光纤激光器将光子带隙光纤和镱光纤分开，掺锗玻璃线在包层中不连通，在镱光纤前的带隙光纤中，掺锗玻璃线对泵浦光无论怎样吸收都无所谓，因为最终还注入到镱光纤的内包层中，而在后端的光子带隙光纤，由于泵浦光已经大部分被掺镱光纤的纤芯吸收，它的吸收被大大弱化。综上所述，本发明利用所述光子带隙光纤的光子带隙效应，实现对普通掺镱光纤的自发辐射荧光增益谱的修正，并以所述光子带隙光纤和普通掺镱光纤构建移频光纤激光器，以此方案所制作的光纤激光器能改变激射波长，具有低成本的优势。 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种光子带隙光纤，其特征在于，包括外包层、由若干空气孔形成的环状内包层、包裹在所述内包层内的纤芯，所述内包层中包含有掺锗玻璃线，所述纤芯中掺氟。
2.—种移频光纤激光器，其特征在于，包括顺次熔接的合束器、第一光纤光栅、第一光子带隙光纤、高掺镱光纤、第二光子带隙光纤、第二光纤光栅；所述第一光子带隙光纤和所述第二光子带隙光纤均为权利要求1所述的光子带隙光纤；所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的反射波长相同但反射率不同。
3.一种黄光光纤激光器，其特征在于，包括一如权利要求2所述的移频光纤激光器，还包括一对所述移频光纤激光器产生的激光进行倍频处理的倍频器；其中，所述合束器的输入端与一 976nm的泵浦源熔接，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的反射波长范围为1150nm-1180nm，所述第一光纤光栅对976nm的泵浦光高透过且对其反射波长范围内的光高反，所述第二光纤光栅对其反射波长范围内的光可反射。
4.一种蓝光光纤激光器，其特征在于，包括一如权利要求2所述的移频光纤激光器，还包括一对所述移频光纤激光器产生的激光进行倍频处理的倍频器；其中，所述合束器的输入端与一 915nm的泵浦源熔接，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的反射波长为976nm，所述第一光纤光栅对976nm的光高反，所述第二光纤光栅对 976nm的光可反射。
全文摘要
本发明适用于光纤技术领域和光纤激光器领域，提供了一种光子带隙光纤，包括包层和包裹在所述包层内的纤芯。由大空气孔组成的环来形成内包层，在所述内包层中包含有掺锗玻璃线，所述纤芯中含有掺氟低折射率区域。本发明通过在全固态光子带隙光纤的纤芯内施加一个轻微的折射率下陷，有效增强“损耗区”内模场与掺锗玻璃线的共振耦合，进而减少包层中掺锗玻璃线的数目，减小了包层中玻璃线对泵浦光的吸收。
文档编号G02B6/02GK102385104SQ20111030870
公开日2012年3月21日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者杜戈果, 邢凤飞, 郭春雨, 闫培光, 阮双琛 申请人:深圳大学