保偏光子晶體光纖雷射器實驗研究

2020-12-03 OFweek維科網

　　光纖雷射器以其結構簡單緊湊、體積小、效率高、工作穩定可靠、散熱性好、易於集成等眾多優點受到普遍關注。折射率引導型光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)，可通過調整光纖空氣孔徑和空氣孔周期比(d／A)，及內外包層中空氣孔的大小和密度，實現大單模模場面積及大內包層數值孔徑設計，同時纖芯的高濃度稀土摻雜為採用較短長度的光纖構建大功率雷射器提供了可能。深圳大學在光子晶體光纖雷射器研究領域已經取得了一定進展。為直接利用PCF得到偏振雷射輸出，出現r保偏光子晶體光纖。這種光纖通過破壞PCF的對稱性，引入艤折射，如缺失空氣孔構成橢圓形纖芯pJ，在纖芯附近／JnA大空氣孔怕J，在纖芯兩側放置一定數量的玻璃棒引入應力區等，都能在光纖中形成有效的艤折射，使PCF具有保偏效果。對於大纖芯光纖，只有通過應力棒才能引入足夠大的雙折射．國外採用不同保偏光子晶體光纖已實現了大功率偏振雷射器。國內這方面研究起步較晚，天津大學直接利用保偏光纖實現了保偏光纖雷射器、叭，而保偏光子晶體光纖領域多為理論研究。迄今為止，有關保偏光子晶體光纖沿不同軸向纏繞及不同纏繞半徑下雷射器輸出偏振特性的實驗研究尚未見報導．本文採用大功率半導體雷射器泵浦1．6m雙包層保偏光子晶體光纖，採用後向泵浦結構，實現了保偏光子晶體光纖雷射器。首次實驗研究了保偏光子晶體光纖不同纏繞軸向及纏繞半徑下輸出雷射偏振特性。

　　1、實驗裝置

　　增益光纖為CrystalFibre A／S公司提供的保偏雙包層光子品體光纖(DC．200-41．PZ．Yb)，圖l為該光纖橫截面在OLYMPUSBX51光學顯微鏡系統下的掃描圖。由圖可見，在纖芯周同六邊形空氣孑L的裡面兩層引入了6根六邊形應力棒，邊長約5Ixm，在纖芯兩側對稱放置，呈三角形排列．這些應力棒破壞了包層的對稱性，大大提高光纖的雙折射，從而實現了光纖的保偏特性。纖芯直徑達41txm，周圍的4層六邊形小空氣孔保證光纖的單模傳輸，直徑200鬥m的內包層數值孔徑達0．6，對976nm泵浦光的吸收約為10dB／m。

　　圖1保偏光子晶體光纖截面圖

　　保偏光子晶體光纖雷射器實驗裝置如圖2所示。泵浦源為德國Limo公司生產的帶尾纖輸出的大功率半導體雷射器，最大輸出功率為70W，泵浦光中心波長為976nm。泵浦光經透鏡組準直後，由二色鏡DM(對l020～1 060 rim光高度透射，對974 am光高度反射)反射、聚焦後耦合進雙包層PCF。二色鏡DM，(對900～1 200rim光高反)和垂直切割的PCF端面(約4％的菲涅爾反射)作為F—P型光學諧振腔的兩個腔鏡．雷射器採用後向泵浦結構，最後雷射經由DM，透射輸出．實驗分別用SOLOPE智能儀表型功率計和ADVANTESTQ8384型光譜儀觀測雷射器的輸出功率和光譜特性。在雷射輸出端放置格蘭·泰勒稜鏡作為檢偏鏡，通過旋轉檢偏鏡一周，測量光功率的兩個最大值和兩個最小值，取平均值得到最大值和最小值P曲．由DOP=(Pmax-Pmin)/（Pmax+Pmin）可得輸出雷射偏振度。

圖2 實驗裝置圖

　　2、實驗結果與分析

　　光子晶體光纖端面的處理是實驗的關鍵，端面好壞將嚴重影響雷射器性能。實驗所用保偏PCF的外包層直徑較大(>5001xm)，且內包層有一圈緊密排列的大空氣孔，採用普通光纖切割工具容易破壞空氣孔，損壞光纖端面．實驗採用NYFORS公司的粗光纖切割機AutoCleaver成功實現了對該光纖的切割，獲得較為理想的光纖端面．為研究保偏光子晶體光纖在沿不同軸向纏繞及不同纏繞直徑下保偏光纖雷射器的輸出功率和偏振特性，採用光學顯微鏡系統觀察光纖端面，並標定軸向。如圖1所示，沿應力棒方向為x軸，垂直於應力棒方向為y軸。

圖3雷射器輸出功率特性曲線圖

　　對雷射腔進行精細調節，使泵浦光儘可能多地耦合人雙包層PCF。圖3為光纖沿x軸、Y軸纏繞，及纏繞直徑分別為20cnl和30 cm時雷射器的輸出光功率曲線。由圖可見，隨著泵浦功率增加，在11W左右各雷射器均達到閾值，進一步增大泵浦功率，輸出光功率線性增長。光纖沿Y軸纏繞直徑為20 cm時雷射器所得到的功率最低，其餘3種情況下所得到的輸出功率無太大差別，最終在沿Y軸纏繞直徑為30cm下得到最大5．3 W的光功率輸出。雷射器輸出的光譜波長約為1040nm。光纖沿X軸彎曲，由於應力棒與纖芯間的折射率差比較大，對光的限制能力比較強，因此兩種不同彎曲直徑下得到的功率基本一致。而沿Y軸纏繞，分布在石英中的空氣孔對光的限制能力相對較差，彎曲直徑越小，就有越多的光進入包層而損耗掉，導致沿Y軸纏繞直徑為20cm時得到的雷射輸出功率最小。本文對比了隨著泵浦功率增大，不同纏繞軸向和不同纏繞直徑對雷射器輸出偏振度的影響．當直徑為20cm時，沿Y軸纏繞和沿X軸纏繞輸出雷射偏振度有明顯差別，如圖4(a)。而直徑為30cm時，兩種纏繞軸向下的偏振度幾乎一樣，如圖4(b)。

圖4不同纏繞軸向下輸出雷射偏振度

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