1.1論文研究目的和意義本論文將研制的雙包層高數(shù)值孔徑摻Yb3+光子晶體光纖是一種由具有光子禁帶效應的二維光子晶體做內包層，用摻Yb3+的激光玻璃做纖芯，進行導光的光纖。這種光纖的外徑與普通光纖一樣，但沿包層的軸向擁有許多空氣孔道，并要求包層中的空氣孔呈類似于晶體中原子排列的周期性分布。由于光纖內包層的設計有一個大模場直徑的單模纖芯,在傳送高功率激光的同時,不產生非線性效應，光纖的損傷閾值也更高，這樣就保證了其極高的光束質量，使光子晶體光纖具有廣闊的應用前景。Yb3+離子能級結構簡單,只有基態(tài)2F7/2和激發(fā)態(tài)2F5/2,沒有激發(fā)態(tài)吸收(ESA)和多聲子吸收。Yb3+摻雜激光玻璃有較寬的吸收光譜(850?llOOnm)和熒光光譜(900~1200nm),可作為飛秒超短脈沖激光和可調諧激光的工作物質;它儲量效率高,熒光壽命長,在半導體列陣泵浦的高功率激光裝置中具有很大的應用潛力。對于常規(guī)的雙包層光纖激光器，一般采用大模面積光纖以避免由于纖芯中光強過大而造成的損傷，但是為了保持單模又需要在增大纖芯尺寸的同時，減小數(shù)值孔徑，這樣就使彎曲損耗增大。而且纖芯尺寸和數(shù)值孔徑的極值還要受到折射率差的精確控制的限制，從而限制了常規(guī)雙包層光纖激光器的發(fā)展。光子晶體光纖則從另一途徑解決了這一限制。我們采用硅酸鹽玻璃作為光纖基質，玻璃光纖和石英光纖相比，普遍具有熔點低、機械強度小，膨脹系數(shù)高、折射率大的特點。摻鐿玻璃光纖作為光纖激光器的增益介質主要有兩個優(yōu)點：1)玻璃光纖中的稀土離子摻雜濃度普遍高于石英光纖1?2個數(shù)量級；2)稀土離子在玻璃光纖中的光譜帶寬和受激發(fā)射截面往往都大于石英基質。同時，硅酸鹽玻璃是最為常用的玻璃系統(tǒng)，與硼酸鹽和磷酸鹽等玻璃體系相比揮發(fā)小、玻璃組分穩(wěn)定。因此硅酸鹽體系玻璃具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，且玻璃容易制備。雙包層摻Yb3+光子晶體光纖作為高功率激光產生和傳輸用的新型光纖，由于其特殊的內部結構及奇特的導光原理使其具有傳統(tǒng)光纖無法比擬的奇異特性，因而在光通信、高功率光纖激光器、高脈沖能量光纖放大器等領域有著重要的應用，已成為固體激光器強有力的競爭者。理論分析雙包層光子晶體光纖采用空氣孔來控制泵浦芯的數(shù)值孔徑，外包層為空氣占空比達50%以上的空氣-玻璃層，似的泵浦芯的數(shù)值孔徑可以在很大的范圍內調控，目前數(shù)值孔徑達到0.8的光子晶體光纖已經面世。大模面積、大數(shù)值孔徑和大折射率差，增加了光在光纖中的反射次數(shù)，使得光纖可以做得很短，在高功率工作時，極大的降低了非線性效應，尤其是受激拉曼散射。對于傳統(tǒng)的階躍型光纖，光纖光學中定義了歸一化頻率V=2Kp(n2一池)1/2人cocl式中n和n_分別為光纖芯和包層的折射率；p為纖芯直徑。只有Vv2.405coc1時，此光纖才是單模的。即傳統(tǒng)光纖存在著一個截止波長，只有波長大于此截止波長的光波才能在光纖中實現(xiàn)單模傳輸，而波長小于此截止波長的光波在光纖中為多模傳輸。在光子晶體光纖中，亦可以定義一個等效的歸一化頻率

V=^H(n2(九)-V=^H(n2(九)-n2(九))i/2九coeff式中n(九)和n(九)分別為光子晶體光纖芯層和包層的等效折射率；p為定義的coeff芯層半徑。光子晶體光纖包層的等效折射率n(九)可以根據(jù)包層晶胞的等效數(shù)學eff模型來計算。根據(jù)光纖光學，在縱向(z)均勻分布的PCF中，極坐標下的電磁場可以表示為E(p,t)=E(p,p)exp[i(?t-Pz)],H(p,t)=H(p,p)exp[i(?t-Pz)],決定其基模的全矢量特征方程為：J(ur)K(wr)1+1urJ(ur)wrK(wr)_iiJ(ur)n2K(wr)_-+=n2coreurJ(ur)1wrK(wr)111(—)2+(―)2ur022其中，u2=ncok2-P2；w2=P2-n2k2co0cceff0論文研究的主要內容發(fā)展進程光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀自從1987年光子晶體概念提出以后，光子晶體的相關研究引起了人們的廣泛興趣，在OFC'004上，光子晶體光纖成為重點報道的課題之一，國際上關于光子晶體光纖的研究主要集中在拓展PCF的應用領域和改善PCF的性能兩方面。因此PCF的基礎研究和應用開發(fā)將在光通信、光學、光電子學和信息科學等方面引發(fā)革命性變革，極有可能在21世界扮演更為重要的角色。1991年Russen等人根據(jù)光子晶體導光原理首次提出光子晶體光纖概念。1996年，英國南安普頓大學光電研究中心和丹麥技術大學電磁系首先報道了成功制備出PCF。莫斯科大學A.M.Zhehikov等人也進行了包層具有周期分布空氣孔的多孔光纖的研制。研究發(fā)現(xiàn)，改變多孔光纖包層的幾何結構，可有效地增強光纖中非線性效應。2000年，英國的Wadsworth等用鈦藍寶石激光器(波長970nm)泵浦一段81mm長的摻鐿光子晶體光纖觀察到了為1040nm的激光輸出，標志著第一臺PCF的問世。雖然得到的激光器各方面的性能不是很理想，但是他為PCF激光器的迅速發(fā)展邁出了第一步。2001年，英國Bath大學Wadsworth等人實現(xiàn)了雙包層PCF結構。雙包層PCF摻雜離子為Yb3+離子，纖芯直徑15.2卩m，數(shù)值孔徑0.11，內包層直徑15卩m，數(shù)值孔徑0.8,利用20W光纖耦合二極管陣列泵浦該光纖，光纖長度為17m，獲得了3.9W功率輸出，斜率效率21%。實驗中發(fā)現(xiàn)，雙包層PCF存在隨機散射中心，說明纖芯中存在著缺陷，有待進一步完善PCF的結構。2002年，Bath大學的W.H.Reeves等人拉制出了具有接近零的超平坦色散光子晶體光纖。所拉制出兩根光纖的色散在1.24卩m-1.44卩m和1卩m-1.6卩m波長范圍內分別被控制在0±0.6ps/nm/km和0±1.2ps/nm/km。2003年，南安普頓大學的X.Feng等人用兩種具有高折射率對比度熱匹配的石英材料首次拉制出全固PCF。在1.55卩m處，該光纖損耗為5dB/m，非線性系數(shù)是230W-1km-1。在1.5卩m-1.6卩m的波長范圍內，它具有接近零的群速度色散。2003年，曾報道了一種實現(xiàn)高功率輸出高功率輸出的雙包層PCF光纖結構采用的具有新穎纖芯結構的PCF是該激光器的功率比之前報道的PCF激光器大了一個數(shù)量級，而且能夠得到較好的激光束的質量。所用PCF長2.3m，纖芯橫截面呈三角形，芯徑大約是28pm,摻雜的工藝與一般的摻Yb3+PCF也有所不同，摻雜是不僅采用Yb3+和AL3+共摻以增加Yb3+的溶解性，而且摻進了氟用來補償摻雜Yb3+和AL3+后纖芯折射率的增加，使摻雜后纖芯折射率接近純硅。泵浦源波長為976nm。輸入泵浦功率為105W時獲得了80W的輸出功率，斜率效率為78%。2004年初，Blaze曾發(fā)布了一款新型PCF,該光纖是針對Nd3+微芯片激光器特別優(yōu)化設計的，可產生超連續(xù)光譜，這種光譜可在單模光纖中產生一個寬帶輸出，光譜亮度超過太陽10000倍。同年，美國高級計劃研究署研制出高功率單頻窄帶Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽玻璃光纖，用此光纖芯徑30》m，波長1552nm，輸出功率83W。2005年，英國Bath大學A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脈沖在PCF中產生了超連續(xù)譜，日本電報電話公司T.Yamamoto等人用波長1562nm、脈寬2.2ps、重復頻率40GHz的光脈沖注入到200m長的色散平坦保偏PCF中，在1550nm區(qū)域產生了超過40nm的均勻超連續(xù)譜，而美國Rochester大學乙M.Zhu等人利用丹麥CrystalFiber公司低雙折射、高非線性PCF獲得600?1000nm的超連續(xù)譜。2006年，澳大利亞悉尼大學的A.Argyros等人拉制出了聚合物材料的空氣傳導光子帶隙光纖。同年，該大學的M.vanEijkelenborg等人又用聚合物材料拉制出了矩形纖芯的光子晶體光纖。由于不同于傳統(tǒng)石英材料光子晶體光纖堆積法的拉制工藝，這些由聚合物材料拉制出的光纖具有更大的靈活性。圖2為光子晶體光纖發(fā)展進程圖。2008年CrystalFiberA/S公司生產的DC-225-22-Yb型摻鐿雙包層光子晶體光纖，纖芯是通過缺失三個空氣孔形成的三角形大模場面積結構，直徑為22±3|Jm，單模波長范圍為1020?1150nm，對975nm泵光的吸收?3.5dB/m；實心纖芯外是由六排周期排列的空氣孔構成具有非常大的數(shù)值孔徑的內包層，內包層直徑為225±10Jm，數(shù)值孔徑NA(950nm)=0.62；外包層直徑465±10jm，涂覆層材料為Acrylate，直徑550±20jm。光纖在波長范圍1020—1150nm內保持單模傳輸，即對Yb3+的整個發(fā)射譜均可以保持單模傳輸；光纖具有大的數(shù)值孔徑內包層和小的纖芯數(shù)值孔徑，因而在具有大的模場面積下也能保證激光的單模傳輸；內包層為無摻雜的硅材料，對泵浦光的損耗可以做到非常低。該公司最新成品:1)DC-170/40-Yb-2雙包層摻鐿光子晶體光纖，該光纖具有很高的內包層數(shù)值孔徑(因為硅和空氣孔之間有很大的折射率差),內含一個單模摻鐿纖芯,微結構內包層設計允許一個大模場直徑的單模纖芯,在傳送高功率激光的同時,保證高的光束質量水平。此光纖的單模工作波長1000T100Jm，模場直徑30±3Jm模場面積?750Jm2，數(shù)值孔徑NA(1060nm)=~0.03，內包層直徑170±10jm，外包層直徑620±25jm，涂覆層材料為單層丙烯酸聚酯，包層材料PureSilica。端面如圖a所示。2)DC-135/15-PM-Yb保偏型雙包層摻鐿光子晶體光纖結合了真正單模偏振保持的纖芯和大數(shù)值孔徑空氣包層的設計，能夠實現(xiàn)高功率輸出，同時保證出色的模式質量。因為DC-135/15-PM-Yb光纖真正的單模纖芯設計(纖芯NA=0.055)，該光纖更易于使用，不像傳統(tǒng)的多模光纖那樣需要嚴格的盤繞光纖對高階模式進行濾波。另外DC-135/15-PM-Yb光纖在976nm處的泵浦吸收高達8dB/m,用戶可以使用非常短的光纖實現(xiàn)高峰值功率輸出。圓形內包層泵浦纖芯設計對保證最佳的泵浦耦合效率非常關鍵。此光纖的單模工作波長1000-1100UM,模場直徑55±5pm模場面積2200±200》m2,數(shù)值孔徑NA(1060nm)=~0.02，內包層直徑135±5pm,外包層直徑280±10pm,纖芯的材料是二氧化硅，涂覆層材料為高溫聚酯，包層材料PureSilica。端面如圖b所示。3)DC-200/70-PM-Yb-R0D大模場偏振保持型雙包層棒狀摻鐿光子晶體光纖,該光纖代表了雙包層摻鐿光纖的頂尖水平,這一款棒狀的光纖采用了偏振保持設計,有效的模場面積超過2000pm2。DC-200/70-PM-Yb-ROD棒狀光纖非常大的有效模場面積加上極高的包層泵浦吸收效率(可達30dB/m),把光纖光學中的非線性閾值提高到一個更高的水平。該光纖主要針對高峰值功率脈沖光纖放大器設計,目前應用結果顯示,棒狀光纖能夠處理兆瓦(Mega-Watt)級的峰值功率。此光纖的單模工作波長1000-1100pm，模場直徑126±1pm模場面積200±20pm2，數(shù)值孔徑NA(1060nm)=0.055±0.01，外包層直徑1.7±0.1mm，涂覆層無，外包層材料PureSilica，內包層材料PureandB-dopedSilica端面如圖c所示。這三種光纖都廣泛應用于高脈沖能量光纖放大器，光纖激光器。a圖b圖c圖目前我國烽火公司拉制硅基摻鐿雙包層光子晶體光纖根據(jù)增大內包層尺寸的數(shù)值孔徑有利于簡化泵浦光的耦合和傳輸?shù)却蟮谋闷止獾男?，通過增大數(shù)值孔徑，內包層的可傳輸功率將以平方增加理論上實現(xiàn)內包層數(shù)值孔徑在1左右。在此基礎上拉制的光纖參數(shù)為：纖芯直徑22pm，內包層直徑330pm，纖芯數(shù)值孔徑0.05，內包層數(shù)值孔徑0.45，內包層吸收系數(shù)為1.5dB/m。采用這種光纖0.5m在入纖功率為3.39W時，得到了2.5W的激光輸出，光-光的轉化效率為73.7%。如果采用更大的泵浦激光，這種光纖將有更大的激光輸出。目前，國內外光子晶體光纖研究以理論研究為主，相關的實驗研究也還有待進一步發(fā)展。主要研究的機構有:麻省理工學院、英國Bath大學、Bell實驗室、悉尼大學和丹麥CrystalFiberA/S公司，國內的清華大學、天津大學、北京交通大學，燕山大學，烽火通信等。在短短10多年時間里，PCF的研究取得了很大的進展，發(fā)表的論文數(shù)量以每年70%的速度增長。雖然PCF的制造很復雜，但應用前景光明，已有好幾家大學和公司都在積極地設計并制造各種高性能的PCF，如低損耗光子晶體光纖、色散補償用雙芯光子晶體光纖、極高非線性PCF，由此研制出雙包層PCF、多芯PCF以及摻雜PCF等等。中國科技大學對LD泵浦的摻鐿雙包層光纖激光器進行了研究，在多個波長獲得激光輸出，其中在波長為1073nm時獲得了3.84mW的激光輸出，激光的斜率效率55%。中國科學院西安光學精密機械研究所對摻鐿雙包層光纖激光器進行了數(shù)值分析。中國科學院上海光學精密機械研究所所用波長為980nm的LD泵浦的摻鐿雙包層光