全固光子带隙光纤滤波1 126 nm掺镱光纤激光器

闫培光，李会权，张格霖，黄诗盛，林荣勇

深圳大学激光工程重点实验室，深圳518060

近红外激光器可倍频产生可见光，因此引起广泛研究兴趣［1-2］.光纤激光器因可靠性高、体积小和光束质量高等优点是理想的近红外激光器.掺镱光纤具有非常宽的自发荧光谱，理论上可以发射976～1 200 nm波长范围的激光［3］，倍频可实现蓝光、绿光和黄橙光.相比传统复杂的染料激光［4］、全固态和频激光技术［5-7］，掺镱光纤激光器具有强势竞争.但实际中掺镱光纤激光器的输出波长多在1 000～1 120 nm，很难得到976 nm或1 120～1 180 nm的高功率“移频”激光输出.即使利用光纤光栅强制选频，也难以消除1 060 nm附近的寄生激光，归根到底是由于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使弱增益波段形成激光振荡.Sinha等［8］在掺镱光纤激光器谐振腔内引入一段长度为2 m的高掺杂镱光纤来吸收两边低掺杂镱光纤的常规波段自发辐射，实现波长为1 150 nm的激光输出，通过倍频产生40 mW黄光;Kurkov等［9］利用970 nm半导体激光器直接泵浦GTWave光纤得到1 160 nm的激光，输出功率为3.2 W;Ota等［10］利用腔内透镜滤波得到波长1 178 nm，输出功率为6.5 W的掺镱光纤激光器.

利用掺镱光纤做拉曼激光器也可产生近红外激光［11］.然而拉曼过程的非线性效应及受激布里渊散射使窄线宽激光器的实现变得困难，不利于倍频产生优质可见光激光.掺铋激光器的输出波长更宽，然而在1.2 μm附近的最大效率仅为32%，且需要波长为1 μm的高能量掺镱光纤包层泵浦才能产生［12-14］.

采用掺镱全固态光子带隙光纤(all-solid photonic bandgap fiber，AS-PBGF)研制移频光纤激光器已成为研究热点.AS-PBGF借助包层高折射率掺锗玻璃线阵列形成的光子带隙效应，也称为反共振反射波导机制 (antiresonantreflectingoptical waveguide，ARROW)，将处于带隙内的光子限制在实芯内传输.相邻带隙间存在一个禁带，由于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，因此损耗极大.利用光子带隙效应可改变稀土离子的荧光增益谱，其原理是将禁带设计在荧光谱的强增益区，即可有效抑制寄生激光，有利于提高移频光纤激光器的功率.

文献［15-21］利用掺镱PBGF直接获得非常规波段激光输出.Shirakawa等［18］利用掺镱PBGF制作波长为1 150～1 200 nm的光纤放大器;Fevrier等［17］利用双包层大模场面积掺镱PBGF产生高效的激光输出;Masahiro［19］利用掺镱保偏固态PBGF搭建线偏振的1级光纤激光器，输出功率大于10 W;Pureur［21］用掺镱实芯光子带隙光纤(solid core photonic bandgap fiber，SC-PBGF)制作波长在980 nm附近激光器;Fan等［15］利用掺镱PBGF制作1 178 nm激光器，输出功率为53.6 W.

掺镱PBGF具有高效、结构简单的优点，但其需特别定制，花费昂贵.本研究中AS-PBGF与掺镱光纤分开，利用自主设计的AS-PBGF，其禁带恰好位于镱光纤强增益区，可对掺镱光纤进行滤波选频.利用光纤光栅对组成谐振腔，得到波长为1 126 nm的激光输出.使用普通掺镱光纤，不仅成本低廉，且通过选择不同的光栅对，就可得到弱增益区的其他波长激光输出.

1 实验

所用AS-PBGF由武汉长飞光纤光缆有限公司制作［22］，其端面结构如图1(a).锗棒的中心间距为9.3 μm，直径为4.06 μm，为优化光纤限制损耗与弯曲特性，设计锗棒的折射率为类抛物线型分布，最大折射率差为0.034 5，锗棒周围有1层氟化物掺杂的折射率低陷区.光纤模场直径在1 550 nm处为10.9 μm，适合与单模掺镱光纤进行低损熔接.AS-PBGF的1个禁带位于1 030～1 124 nm，恰好处于掺镱光纤的强增益区，可用于镱的强增益区抑制.图1(b)为所用光纤带隙，虚线为理论模拟曲线，实线为实测曲线.光纤在1 550 nm处的损耗为0.41 dB/km，可见带通光波在纤芯内的损耗很低.

图1 AS-PBGF端面与带隙图Fig.1 The cross section and bandgap of the AS-PBGF used in experiment

全固光子带隙光纤从技术层面上讲，即使光纤制作工艺的精度不能达到理想设计的频移量，也可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.光纤的带隙宽度随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/禁带的宽度，如图2.

图2 缠绕半径对超连续谱输出光谱的影响Fig.2 The transmission spectra of AS-PBGF obtained by butt-coupling a supercontinuum source

实验装置如图3.使用带尾纤输出的半导体激光器作为泵浦源，其输出波长为974 nm，最大输出功率为408 mW.增益光纤为5.6 m长的掺镱光纤，其在974 nm处的吸收系数为6.5 dB/m，数值孔径为0.15，在1 085 nm 处的模场直径为5.4 μm.光纤自发荧光波长范围为1 020～1160 nm，放大的自发辐射主要集中在1 060 nm附近.由于1 126 nm处的发射截面较小，因此在掺镱光纤后面熔接一段长为2 m的AS-PBGF对其强增益区进行压制，再利用中心波长为1 126 nm的光栅对谐振腔进行强制选频.光纤光栅的通光带宽为0.38 nm，前端反射率高于99%，后输出端透过率为55%.使用Fujikuwa FSM60S光纤熔接机，通过多次熔接测试，使损耗降低至1.05 dB.

图3 实验装置图Fig.3 Experimental setup

2 结果与讨论

图4为激光器输出功率和泵浦功率关系曲线.受泵浦源功率限制，最大输出功率为1.8 mW，转换效率较低.这主要由于:① 所使用掺镱光纤为单包层，且泵浦功率较低;②掺镱光纤在1 126 nm处的发射截面很小.通常会采用对掺镱光纤进行加热，使光纤在1.2 μm波长附近有更大的发射截面，以提高输出功率，但受实验条件所限未能进行.

图4 输出功率随泵浦功率变化曲线Fig.4 Output power versus pump power

由图2可见，AS-PBGF的禁带会随光纤弯曲程度不同而发生微小变化，弯曲半径越小，禁带越宽［15，22］.实验过程中为避免产生激光被禁带覆盖，令缠绕半径为250 mm，使禁带基本没有受到弯曲的影响.图5为长度为0.8 m的AS-PBGF输出激光随缠绕半径变化.从图5(a)和(b)可知，当缠绕半径小于25 mm时，禁带已经抑制了1 126 nm的ASE，不能输出激光.图6是实验得到的激光光谱图，可见974 nm泵浦光已被完全吸收，ASE也得到很好抑制，仅有少量残余，振荡激光强度比残余ASE高近50 dB.输出激光的谱宽为0.4 nm，可作为MOPA放大激光器的理想种子源.

图5 长度为0.8 m的AS-PBGF在不同缠绕半径时的输出激光光谱Fig.5 The output spectra with different coiling radii of the 0.8 m AS-PBGF

图6 输出激光光谱Fig.6 Output spectra of the laser

结 语

本研究将AS-PBGF与掺镱光纤分开，利用全固光子带隙光纤的带隙效应实现光谱滤波，实现非常规波段的1 126 nm移频光纤激光器，具有全光纤化及成本低廉的特点.由于实验使用单包层光纤，且泵浦源功率低，致使输出激光的功率较低.选择双包层掺镱光纤，有望提高输出功率.

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