閆培光，李會權，張格霖，黃詩盛，林榮勇

深圳大學激光工程重點實驗室，深圳518060

近紅外激光器可倍頻產(chǎn)生可見光，因此引起廣泛研究興趣［1-2］.光纖激光器因可靠性高、體積小和光束質(zhì)量高等優(yōu)點是理想的近紅外激光器.摻鐿光纖具有非常寬的自發(fā)熒光譜，理論上可以發(fā)射976～1 200 nm波長范圍的激光［3］，倍頻可實現(xiàn)藍光、綠光和黃橙光.相比傳統(tǒng)復雜的染料激光［4］、全固態(tài)和頻激光技術［5-7］，摻鐿光纖激光器具有強勢競爭.但實際中摻鐿光纖激光器的輸出波長多在1 000～1 120 nm，很難得到976 nm或1 120～1 180 nm的高功率“移頻”激光輸出.即使利用光纖光柵強制選頻，也難以消除1 060 nm附近的寄生激光，歸根到底是由于鐿離子的熒光增益譜決定.因此制作高功率的移頻光纖激光器，關鍵在于修正稀土離子的熒光增益譜，通過抑制增益強的波段使弱增益波段形成激光振蕩.Sinha等［8］在摻鐿光纖激光器諧振腔內(nèi)引入一段長度為2 m的高摻雜鐿光纖來吸收兩邊低摻雜鐿光纖的常規(guī)波段自發(fā)輻射，實現(xiàn)波長為1 150 nm的激光輸出，通過倍頻產(chǎn)生40 mW黃光;Kurkov等［9］利用970 nm半導體激光器直接泵浦GTWave光纖得到1 160 nm的激光，輸出功率為3.2 W;Ota等［10］利用腔內(nèi)透鏡濾波得到波長1 178 nm，輸出功率為6.5 W的摻鐿光纖激光器.

利用摻鐿光纖做拉曼激光器也可產(chǎn)生近紅外激光［11］.然而拉曼過程的非線性效應及受激布里淵散射使窄線寬激光器的實現(xiàn)變得困難，不利于倍頻產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)可見光激光.摻鉍激光器的輸出波長更寬，然而在1.2 μm附近的最大效率僅為32%，且需要波長為1 μm的高能量摻鐿光纖包層泵浦才能產(chǎn)生［12-14］.

采用摻鐿全固態(tài)光子帶隙光纖(all-solid photonic bandgap fiber，AS-PBGF)研制移頻光纖激光器已成為研究熱點.AS-PBGF借助包層高折射率摻鍺玻璃線陣列形成的光子帶隙效應，也稱為反共振反射波導機制 (antiresonantreflectingoptical waveguide，ARROW)，將處于帶隙內(nèi)的光子限制在實芯內(nèi)傳輸.相鄰帶隙間存在一個禁帶，由于在這些波長上纖芯內(nèi)傳導模與摻鍺玻璃線中的高階模發(fā)生共振耦合，因此損耗極大.利用光子帶隙效應可改變稀土離子的熒光增益譜，其原理是將禁帶設計在熒光譜的強增益區(qū)，即可有效抑制寄生激光，有利于提高移頻光纖激光器的功率.

文獻［15-21］利用摻鐿PBGF直接獲得非常規(guī)波段激光輸出.Shirakawa等［18］利用摻鐿PBGF制作波長為1 150～1 200 nm的光纖放大器;Fevrier等［17］利用雙包層大模場面積摻鐿PBGF產(chǎn)生高效的激光輸出;Masahiro［19］利用摻鐿保偏固態(tài)PBGF搭建線偏振的1級光纖激光器，輸出功率大于10 W;Pureur［21］用摻鐿實芯光子帶隙光纖(solid core photonic bandgap fiber，SC-PBGF)制作波長在980 nm附近激光器;Fan等［15］利用摻鐿PBGF制作1 178 nm激光器，輸出功率為53.6 W.

摻鐿PBGF具有高效、結(jié)構簡單的優(yōu)點，但其需特別定制，花費昂貴.本研究中AS-PBGF與摻鐿光纖分開，利用自主設計的AS-PBGF，其禁帶恰好位于鐿光纖強增益區(qū)，可對摻鐿光纖進行濾波選頻.利用光纖光柵對組成諧振腔，得到波長為1 126 nm的激光輸出.使用普通摻鐿光纖，不僅成本低廉，且通過選擇不同的光柵對，就可得到弱增益區(qū)的其他波長激光輸出.

1 實驗

所用AS-PBGF由武漢長飛光纖光纜有限公司制作［22］，其端面結(jié)構如圖1(a).鍺棒的中心間距為9.3 μm，直徑為4.06 μm，為優(yōu)化光纖限制損耗與彎曲特性，設計鍺棒的折射率為類拋物線型分布，最大折射率差為0.034 5，鍺棒周圍有1層氟化物摻雜的折射率低陷區(qū).光纖模場直徑在1 550 nm處為10.9 μm，適合與單模摻鐿光纖進行低損熔接.AS-PBGF的1個禁帶位于1 030～1 124 nm，恰好處于摻鐿光纖的強增益區(qū)，可用于鐿的強增益區(qū)抑制.圖1(b)為所用光纖帶隙，虛線為理論模擬曲線，實線為實測曲線.光纖在1 550 nm處的損耗為0.41 dB/km，可見帶通光波在纖芯內(nèi)的損耗很低.

圖1 AS-PBGF端面與帶隙圖Fig.1 The cross section and bandgap of the AS-PBGF used in experiment

全固光子帶隙光纖從技術層面上講，即使光纖制作工藝的精度不能達到理想設計的頻移量，也可通過改變光纖的纏繞半徑對鐿離子的熒光光譜范圍進行修正.光纖的帶隙寬度隨纏繞半徑縮小而減小，改變光纖的纏繞半徑能適度改變帶隙/禁帶的寬度，如圖2.

圖2 纏繞半徑對超連續(xù)譜輸出光譜的影響Fig.2 The transmission spectra of AS-PBGF obtained by butt-coupling a supercontinuum source

實驗裝置如圖3.使用帶尾纖輸出的半導體激光器作為泵浦源，其輸出波長為974 nm，最大輸出功率為408 mW.增益光纖為5.6 m長的摻鐿光纖，其在974 nm處的吸收系數(shù)為6.5 dB/m，數(shù)值孔徑為0.15，在1 085 nm 處的模場直徑為5.4 μm.光纖自發(fā)熒光波長范圍為1 020～1160 nm，放大的自發(fā)輻射主要集中在1 060 nm附近.由于1 126 nm處的發(fā)射截面較小，因此在摻鐿光纖后面熔接一段長為2 m的AS-PBGF對其強增益區(qū)進行壓制，再利用中心波長為1 126 nm的光柵對諧振腔進行強制選頻.光纖光柵的通光帶寬為0.38 nm，前端反射率高于99%，后輸出端透過率為55%.使用Fujikuwa FSM60S光纖熔接機，通過多次熔接測試，使損耗降低至1.05 dB.

圖3 實驗裝置圖Fig.3 Experimental setup

2 結(jié)果與討論

圖4為激光器輸出功率和泵浦功率關系曲線.受泵浦源功率限制，最大輸出功率為1.8 mW，轉(zhuǎn)換效率較低.這主要由于:① 所使用摻鐿光纖為單包層，且泵浦功率較低;②摻鐿光纖在1 126 nm處的發(fā)射截面很小.通常會采用對摻鐿光纖進行加熱，使光纖在1.2 μm波長附近有更大的發(fā)射截面，以提高輸出功率，但受實驗條件所限未能進行.

圖4 輸出功率隨泵浦功率變化曲線Fig.4 Output power versus pump power

由圖2可見，AS-PBGF的禁帶會隨光纖彎曲程度不同而發(fā)生微小變化，彎曲半徑越小，禁帶越寬［15，22］.實驗過程中為避免產(chǎn)生激光被禁帶覆蓋，令纏繞半徑為250 mm，使禁帶基本沒有受到彎曲的影響.圖5為長度為0.8 m的AS-PBGF輸出激光隨纏繞半徑變化.從圖5(a)和(b)可知，當纏繞半徑小于25 mm時，禁帶已經(jīng)抑制了1 126 nm的ASE，不能輸出激光.圖6是實驗得到的激光光譜圖，可見974 nm泵浦光已被完全吸收，ASE也得到很好抑制，僅有少量殘余，振蕩激光強度比殘余ASE高近50 dB.輸出激光的譜寬為0.4 nm，可作為MOPA放大激光器的理想種子源.

圖5 長度為0.8 m的AS-PBGF在不同纏繞半徑時的輸出激光光譜Fig.5 The output spectra with different coiling radii of the 0.8 m AS-PBGF

圖6 輸出激光光譜Fig.6 Output spectra of the laser

結(jié) 語

本研究將AS-PBGF與摻鐿光纖分開，利用全固光子帶隙光纖的帶隙效應實現(xiàn)光譜濾波，實現(xiàn)非常規(guī)波段的1 126 nm移頻光纖激光器，具有全光纖化及成本低廉的特點.由于實驗使用單包層光纖，且泵浦源功率低，致使輸出激光的功率較低.選擇雙包層摻鐿光纖，有望提高輸出功率.

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