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保偏光子晶体光纤激光器实验研究

作者:admin 来源:未知 点击:76 更新时间:2019-04-03
  光纤激光器 以其结构简单紧凑、体积小、效率高、工作稳定可靠、散热性好、易于集成等众多优点受到普遍关注。折射率引导型光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF),可通过调整光纤空气孔径和空气孔周期比(d/A),及内外包层中空气孔的大小和密度,实现大单模模场面积及大内包层数值孔径设计,同时纤芯的高浓度稀土掺杂为采用较短长度的光纤构建大功率激光器提供了可能。深圳大学在光子晶体光纤激光器研究领域已经取得了一定进展。为直接利用PCF得到偏振激光输出,出现r保偏光子晶体光纤。这种光纤通过破坏PCF的对称性,引入舣折射,如缺失空气孔构成椭圆形纤芯pJ,在纤芯附近/JnA大空气孔怕J,在纤芯两侧放置一定数量的玻璃棒引入应力区等,都能在光纤中形成有效的舣折射,使PCF具有保偏效果。对于大纤芯光纤,只有通过应力棒才能引入足够大的双折射.国外采用不同保偏光子晶体光纤已实现了大功率偏振激光器。国内这方面研究起步较晚,天津大学直接利用保偏光纤实现了保偏光纤激光器、叭,而保偏光子晶体光纤领域多为理论研究。迄今为止,有关保偏光子晶体光纤沿不同轴向缠绕及不同缠绕半径下激光器输出偏振特性的实验研究尚未见报道.本文采用大功率半导体激光器泵浦1.6m双包层保偏光子晶体光纤,采用后向泵浦结构,实现了保偏光子晶体光纤激光器。首次实验研究了保偏光子晶体光纤不同缠绕轴向及缠绕半径下输出激光偏振特性。
  
  1、实验装置
 
  增益光纤为CrystalFibre A/S公司提供的保偏双包层光子品体光纤(DC.200-41.PZ.Yb),图l为该光纤横截面在OLYMPUSBX51光学显微镜系统下的扫描图。由图可见,在纤芯周同六边形空气孑L的里面两层引入了6根六边形应力棒,边长约5Ixm,在纤芯两侧对称放置,呈三角形排列.这些应力棒破坏了包层的对称性,大大提高光纤的双折射,从而实现了光纤的保偏特性。纤芯直径达41txm,周围的4层六边形小空气孔保证光纤的单模传输,直径200斗m的内包层数值孔径达0.6,对976nm泵浦光的吸收约为10dB/m。
  
  保偏光子晶体 光纤激光器 实验装置如图2所示。泵浦源为德国Limo公司生产的带尾纤输出的大功率半导体激光器,最大输出功率为70W,泵浦光中心波长为976nm。泵浦光经透镜组准直后,由二色镜DM(对l020~1 060 rim光高度透射,对974 am光高度反射)反射、聚焦后耦合进双包层PCF。二色镜DM,(对900~1 200rim光高反)和垂直切割的PCF端面(约4%的菲涅尔反射)作为F—P型光学谐振腔的两个腔镜.激光器采用后向泵浦结构,最后激光经由DM,透射输出.实验分别用SOLOPE智能仪表型功率计和ADVANTESTQ8384型光谱仪观测激光器的输出功率和光谱特性。在激光输出端放置格兰·泰勒棱镜作为检偏镜,通过旋转检偏镜一周,测量光功率的两个最大值和两个最小值,取平均值得到最大值和最小值P曲.由DOP=(Pmax-Pmin)/(Pmax+Pmin)可得输出激光偏振度。
  
  2、实验结果与分析
 
  光子晶体光纤端面的处理是实验的关键,端面好坏将严重影响激光器性能。实验所用保偏PCF的外包层直径较大(>5001xm),且内包层有一圈紧密排列的大空气孔,采用普通光纤切割工具容易破坏空气孔,损坏光纤端面.实验采用NYFORS公司的粗光纤切割机AutoCleaver成功实现了对该光纤的切割,获得较为理想的光纤端面.为研究保偏光子晶体光纤在沿不同轴向缠绕及不同缠绕直径下保偏光纤激光器的输出功率和偏振特性,采用光学显微镜系统观察光纤端面,并标定轴向。沿应力棒方向为x轴,垂直于应力棒方向为y轴。
 
   对激光腔进行精细调节,使泵浦光尽可能多地耦合人双包层PCF。为光纤沿x轴、Y轴缠绕,及缠绕直径分别为20cnl和30 cm时激光器的输出光功率曲线。随着泵浦功率增加,在11W左右各激光器均达到阈值,进一步增大泵浦功率,输出光功率线性增长。光纤沿Y轴缠绕直径为20 cm时激光器所得到的功率最低,其余3种情况下所得到的输出功率无太大差别,最终在沿Y轴缠绕直径为30cm下得到最大5.3 W的光功率输出。激光器输出的光谱波长约为1040nm。光纤沿X轴弯曲,由于应力棒与纤芯间的折射率差比较大,对光的限制能力比较强,因此两种不同弯曲直径下得到的功率基本一致。而沿Y轴缠绕,分布在石英中的空气孔对光的限制能力相对较差,弯曲直径越小,就有越多的光进入包层而损耗掉,导致沿Y轴缠绕直径为20cm时得到的激光输出功率最小。本文对比了随着泵浦功率增大,不同缠绕轴向和不同缠绕直径对激光器输出偏振度的影响.当直径为20cm时,沿Y轴缠绕和沿X轴缠绕输出激光偏振度有明显差别。而直径为30cm时,两种缠绕轴向下的偏振度几乎一样,
 
    光纤沿X轴缠绕,且直径分别为20cm和30cm时得到的激光偏振度曲线。可以看到,直径较大,其偏振度也较大。当光纤沿y轴缠绕时,与前者不同,缠绕直径为20cm时所得到的输出激光偏振度比弯曲直径为30cm时大,这说明光纤的弯曲半径及缠绕轴向对输出激光的偏振度有一定影响,且缠绕轴不同其影响也不同。
 
  在保偏光纤中偏振光沿单一轴向传输,实验中通过旋转格兰·泰勒棱镜可以观察到输出的激光能量主要集中在X轴方向,即偏振光沿着应力棒方向传输。光纤弯曲时其内侧受到挤压,外侧受到拉伸,相当于在光纤中引入新应力,它与应力棒共同作用,将影响输出激光的偏振特性。同时,弯曲时光纤中的模场会向外侧偏移,且受到压缩,纤芯越大,压缩就越明显,特别是在弯曲轴向。因此,光纤沿着X轴弯曲,首先将改变光纤的保偏结构,而且模场在偏振方向会受到压缩,并向外有一定偏移,光在X轴方向的损耗增大,偏振度变小。相反,光纤沿y轴缠绕对光纤本身引入的偏振结构影响并不明显,但由于截止轴向上的弯曲导致模场压缩,阻碍了y轴方向上光的传输,偏振度变大。另外,弯曲程度越小,对光纤结构及光在光纤中场的改变也就越小,沿着x轴或者J,轴缠绕对偏振度的影响就越不明显。
 
  以上偏振度数据是在激光输出端和格兰·泰勒棱镜之问加光阑所测量到的,无光阑状态下得到的偏振度都相对较小,但功率较大。这说明输出的激光并没有完伞被束缚在纤芯里面,有一部分泄露到包层内.包层内的这部分光不具单偏振特性,冈此不加光阑就降低了激光的偏振度。实验中光纤较短,为搭建激光器,实际弯曲部分约为lm,同时,光纤拉制的均匀性及在实验过程中无法保证光纤始终保持同一轴向弯曲,这些都在一定程度上影响了输m激光的偏振度。
 
  结 语
 
  实验实现了双包层保偏光子晶体光纤激光器,首次研究了保偏光子晶体光纤不同缠绕轴向及缠绕半径下激光器输出激光的偏振特性。实验表明,保偏光纤激光器输出激光的偏振程度受到光纤弯曲半径和缠绕轴向的影响,缠绕轴向不同,偏振度的变化趋势也不同。沿Y轴弯曲,在一定曲率下将得到具有更高偏振度的激光输出。
 
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