光子晶体啁啾布拉格光纤光栅脉冲展宽器的制作方法

本发明涉及超快激光技术和慢光技术领域，尤其涉及一种巨色散量光子晶体啁啾布拉格光纤光栅展宽器。

背景技术：

在光纤超快激光领域，采用啁啾脉冲放大技术是提升单脉冲能量和峰值功率的有效技术途径。展宽器作为该项技术的核心器件之一，其目的是将超短激光脉冲时域展宽，降低峰值功率，为后续放大和压缩提供前提条件，使脉冲放大过程中峰值功率始终低于光纤等器件的损伤阈值，并削弱传输过程中的非线性效应。因此在目前增益光纤芯径的条件下，为了获得更高能量的光纤飞秒激光放大输出，提高展宽器的色散量获得更宽的脉宽则显得尤为重要。

目前啁啾脉冲放大系统中采用展宽器主要有三种，分别是色散光纤、空间光栅、啁啾布拉格光纤光栅。其中色散光纤在提供大色散时需要很长的工作长度，引入的严重非线性效应，不利于后续压缩。光栅展宽时，不仅引入空间元素不利于全光纤化，此外光栅衍射效率以及空间耦合也会造成更多损耗。

相比于前两种展宽器，啁啾布拉格光纤光栅在保证全光纤化的同时，长度很短，所以附加损耗很小，几乎不受光纤非线性的影响，被广泛采用。但是在提供更大色散量，则需要增加光栅的刻蚀长度，增加至米量级左右时，光栅的制作挑战和成本成为该展宽方法的关键制约因素。其次因为光纤光栅需避免弯折，所以米量级的直线长度抵消了光纤激光体积紧凑、易于集成封装的优点。因此通过增加光栅长度来提高光栅色散能力在现有技术条件下是很难实现巨大色散的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何极大地提高展宽器所能提供的色散量，本发明提供一种基于光子晶体光纤的啁啾布拉格光栅展宽器件，利用光子晶体光纤可以实现慢光的特点，从而在光栅刻蚀长度的不增加的条件下，增加展宽器的展宽因子，进而提升光纤超快激光单脉冲输出能量上限。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于光子晶体啁啾布拉格光纤光栅的展宽器件，采用一种带隙光子晶体光纤，结构是空气孔周期排布的多包层结构，纤芯为实芯并刻蚀变周期的布拉格光栅，光栅周期沿光纤轴向呈现单调线性递增或递减。

作为进一步优化，光纤背景材料采用高折射率的硫化物(n＝2.8)或者半导体材料(n＝3.4)，光纤材料折射率表示为n，纤芯采用掺锗材料。

作为进一步优化，空气孔可以为圆形、正方形、正六边形、正八边形、正十二边形，空气孔采用正三角形排布方式呈正六边形、或正八边形、或正十二边形多包层结构。任意两个最近相邻空气孔之间间距为a，空气孔外接圆直径用d表示，增加空气孔间距a与空气孔外接圆直径d的比例，确保激光工作波长范围内的脉冲均能够无限单模传输。

作为进一步优化，刻蚀光栅初始光栅常数为λ0，光栅常数沿光纤z轴向距离分布满足函数λ(z)＝λ0+ξ1z+ξ2z²，ξ1和ξ2分别为一次和二次项系数。

本发明的有益效果在于：

所述的光子晶体啁啾布拉格光纤光栅，将慢光技术与啁啾光纤光栅相结合，在相同光栅结构的情况下能够极大增加光栅的色散量，从而获得更大的展宽因子，大大增加展宽后的脉冲宽度，降低后续的放大难度，有望最终获得更大能量的超快激光输出。并能够将啁啾脉冲放大技术拓展到皮秒脉冲放大领域，极大提高皮秒脉冲输出能量。

所述的光子晶体啁啾布拉格光纤光栅，更短的光纤光栅尺寸，有利于最终系统集成与热控制，能够获得更好的光束质量和更佳的系统稳定性。

所述的光子晶体啁啾布拉格光纤光栅，克服了目前光子晶体布拉格光栅带宽较小，极大地提升了光子晶体光纤光栅的带宽，能够满足多种波长以及宽光谱的超快激光展宽脉冲的需求。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图做简单地介绍。下面的描述中的附图仅为本实施例的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以依据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例的光子晶体啁啾布拉格光纤光栅的横截面结构示意图；

图2为本发明实施例的光子晶体啁啾布拉格光纤光栅纤芯侧面剖视图；

图3为本发明实施例的光子晶体啁啾布拉格光纤光栅的时延以及色散量；

其中，1、光子晶体光纤纤芯，2、空气孔，3、光栅刻蚀区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图1图2分别是本发明光纤横截面图与侧面剖视图。如图1所示，标号1表示光子晶体光纤的纤芯区域，该光纤的包层由多层(例如4-8层)位于正六边形、或正八边形、或正十二边形网格结点的空气孔构成，空气孔不限于圆形，此实施例中空气孔直径为d，相邻空气间距为a，d/a范围在0.2-0.4。纤芯处为硼锗共掺材料，如图2所示，3表示光栅刻蚀区域，在光子晶体光纤的纤芯区域使用紫外光源刻蚀变周期的布拉格光栅，光栅常数与轴向z满足关系：λ(z)＝λ0+ξ1z+ξ2z²，其中λ0为光栅上端边界的光栅常数，其中λ(z)为光栅常数变化函数。布拉格谐振波长λb＝2nλ(z)，可以看出不同周期的布拉格光栅会反射不同波长，使得脉冲经过纤芯内光栅反射后的不同波长产生光程差，结合带隙光子晶体光纤的慢光效应，极大的增加了色散作用。调控系数ξ1并使ξ2＝0时，可以得到周期线性变化的布拉格光栅，能够提供线性啁啾量。微增或微减ξ2或加入关于z的更高次项可以进一步优化器件的高阶色散量。

本发明的实施例：设定入射脉冲的中心波长为1030nm，带宽20nm，脉宽30ps，光子晶体基底材料选取硫化砷，在中心波长处折射率为2.47。标号2为空气孔，空气孔排布为正六边形四包层结构如图1所示，方便表示，将光栅周期单位长度设置为nm，z向单位长度设置为m，光栅刻蚀周期分布函数设置为：λ(z)＝206nm+70nm/m×z，即初始光栅周期λ0＝206nm,系数ξ1＝70nm/m，ξ2＝0nm/m²，同时刻蚀长度为100mm，此实施例脉冲的时延以及色散量如图3所示，脉冲最大波长相对与最短波长时延近15ns，并且在中心波长附近的色散量达到400ps²以上，该光子晶体啁啾布拉格光纤光栅具有极强的色散效应，脉冲经此光子晶体啁啾布拉格光纤光栅展宽器脉宽能够展宽至15ns以上。

技术特征：

技术总结
本发明涉及光纤超快激光和慢光领域，为一种慢光光子晶体啁啾布拉格光纤光栅展宽器。选择纤芯为光敏材料，包层为包围纤芯的周期分布的空气孔的带隙光子晶体光纤。在纤芯处刻蚀变周期的啁啾布拉格光栅结构，通过光子带隙边缘的高群折射率，实现慢光效应，极大增加啁啾布拉格光栅对不同波长的群延时，所提供的色散量相比于常规啁啾布拉格光纤光栅也提高一个数量级。本发明运用在啁啾脉冲放大系统中能够获得更大的脉冲展宽因子，进而提升光纤超快激光器所能放大输出的单脉冲能量和峰值功率上限，同时较短的光栅刻蚀长度，有更好的环境稳定性，并减小了制作难度与后期集成难度。

技术研发人员：张海涛;邓德才;龚启航
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2019.05.17
技术公布日：2019.09.17