中文核心期刊
光子晶体光纤在光纤激光器中的应用
牛静霞，周桂耀，侯蓝田，宋昭远，靳涛涛，董世蕊，夏长明
（燕山大学红外光纤与传感研究所，河北秦皇岛066004）
摘要：光子晶体光纤研究的日趋成熟不仅拓宽了光纤激光器的研究领域，同时也推动了激光技术的发
展。文章针对大模面积双包层光子晶体光纤的特点，探讨了其在光纤激光器中的应用，重点阐述了光子晶体光纤在光纤激光器应用领域的最新进展，并介绍了燕山大学在制备稀土掺杂光子晶体光纤上所取得的最新成果。
关键词：光子晶体光纤；光纤激光器；大模面积；掺Ｙｂ３＋双包层中图分类号：TN253
文献标识码：A
文章编号：1002-5561(2009)01-0044-04
Applicationsofphotoniccrystalfiberinfiberlaser
NIUJing-xia,ZHOUGui-yao,HOULan-tian,
SONGZhao-yuan,JINTao-tao,DONGShi-rui,XIAChang-ming
(InstituteofInfraredFiberandSensors,
YanshanUniversity,QinhuangdaoHebei066004,China)
Abstract:Theadvancementofphotoniccrystalfibernotonlyexpandedthefieldoffiberlaserresearch,butalsopromotedthedevelopmentoflasertechnology.Forthefiberlaserapplication,thecharacteristicsoflargemodedouble-cladareaPCFweredescribedinthisarticle.ItwasintroducedthatthelatestprogressthePCFusedintheopticalfiberlaserandtheachievementoftheYanShanUniversityaboutthemanufactureofdopedPCF.
Keywords:photoniccrystalfiber,fiberlaser,largemodearea,Yb3+-dopeddouble-clad
0引言
光纤激光器作为激光领域的新兴技术，近年来成为科学研究领域的热点问题。光纤激光器采用光纤作为增益介质，泵浦光在纤芯内形成高功率密度，当加入正反馈回路时，便产生激光输出[1]。对于采用常规光纤的光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光为单模，这就限制了泵浦光的入纤效率。且当激光器高功率运转时，由于纤芯的非线性效应，也将限制输出功率的极限值。光子晶体光纤由于其灵活的光学可控性和特殊结构，可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷[2，3]。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的各种性能
收稿日期：2008-09-23。
基金项目：国家自然基金重点项目(60637010)资助。
作者简介：牛静霞(1982-)，女，硕士研究生，主要研究方向为光子晶体光纤的制备和检测。
有了显著提高[4]。因此，基于光子晶体光纤的光纤激光器以其高输出功率、低阈值、高效率、窄线宽和可调谐等优点，其发展和应用得到了社会各方面的广泛关注。本文将主要结合大模面积双包层光子晶体光纤的结构特点，系统分析光子晶体光纤在高功率光纤激光器领域的最新进展和应用前景,并介绍我们课题组最新制备的各种结构新颖的稀土掺杂光子晶体光纤。
1大模面积双包层光子晶体光纤
大模面积光子晶体光纤是通过设计光子晶体光纤的微结构来获得大模场单模面积的一种新型特种光纤，其纤芯密度大为降低，有效地抑制了久难解决的热光问题。
我们设计了八角排列光子晶体光纤(O-PCF)并采用有效面积法研究其模式截止特性。图1(a)和(b)分别为二阶模有效面积和基模有效面积随波长的变化关系。通过计算不同结构O-PCF和六角排列光子晶体光
輨輲訛
2009年第1
期
牛静霞,周桂耀,侯蓝田,等：光子晶体光纤在光纤激光器中的应用
纤(H-PCF)二阶模和基模的截止波长，得到了两种光纤非限制模，基模和二阶模的相位图，如图1(c)。其中介于非限制模和二阶模两条相位线之间的区域为单模传输范围，并且可以很容易看出在相同填充率时O-PCF的单模运转区域要比H-PCF的宽。所以通过设计灵活设计包层结构，可以很好地实现大模场面积，并且保持单模运转的光子晶体光纤。
大模面积光子晶体光纤可以承受和传输更高的激光功率，并且具有高转换效率、高亮度和高光束质量等优点；同时，利用光子晶体光纤的微结构可设计特性、可将大模面积光子晶体光纤的包层设计成高数值孔径的双包层结构。双包层结构的大模面积光子晶体光纤具有大模场面积，能够极大地降低非线性效应，而增大的数值孔径结构又能够极大地提高抽运耦合效率。掺杂稀土的双包层光子晶体光纤是由掺杂的纤芯和具有光子晶体结构的包层组成。光纤的内包层区域内含有许多规则排列的、沿轴向延伸的微小空气孔；内外包层由紧密排列的大空气孔相隔。这种光纤也很容易实现大模面积和大数值孔径内包层的设计。大的芯径尺寸增强了对泵浦光的吸收，高数值孔径内包层提高了泵浦光的耦合效率，减少了光纤的长度，从而减小了纤芯中的非线性效应。
1998年，Knight等首次拉制出了大模面积光子晶
体光纤
(a)O-PCF与H-PCF二阶模有效面积随波长的变化关系
[5]
。目前光子晶体光纤的模场面积可以做
1500μm2以上，比传统单模光纤的模场面积大一个数量级。2006年3月，德国Jena研究报导了一种新型的LMA棒状PCF，通过缺失光纤中心的19个空气孔形
成LMA，掺杂纤芯直径高达60μm2，模场面积高达
2000μm2；实验中仅利用0.58m这种光纤，在425W泵
浦功率下，获得320W连续单横模激光输出，斜率效率高达78％，相当于1m产出激光550W。2007年,Yuk-
ihiroTsuchida等[7]设计了在1.064mm处，模场面积达1400mm2，高阶模损耗大于1dB/m，弯曲半径可达5cm，光束质量因子M2=1.15的大模面积光子晶体光纤。
2光子晶体光纤在激光器中的应用
(b)O-PCF与H-PCF基模有效面积随波长的变化关系
光纤激光器由于具有结构紧凑、效率高及光束质量好等优点,成为固体激光器发展的热点。而基于光子晶体光纤的光纤激光器因其具有超大的模面积、宽带单模传输、大幅度可调的色散特性等优点，也有着更为广阔的应用前景。从2000年首台光子晶体光纤激光器问世到现在的短短几年间，各种类型的光子晶体光纤激光器等纷纷涌现。其中,由于掺稀土元素大模面积PCF激光器解决了普通光纤激光器在激光器高功率运转时会由于纤芯能量过于密集而出现一些非线性效应并会导致光纤的损坏的问题而成为研究的重要方向。
目前报导的掺杂大模面积PCF激光器主要有掺
(c)O-PCF和H-PCF非限制模，基模和二阶模相位图
图1O-PCF与H-PCF二阶模和基模
有效面积随波长的变化关系及相位图
Yb3+、掺Nd3+和掺Er3+三种PCF激光器。报导最多的是掺Yb3+PCF激光器。
2009年第1
期
訛輳輨
牛静霞,周桂耀,侯蓝田,等：光子晶体光纤在光纤激光器中的应用
2.1传统掺Yb3+PCF激光器
2000年，英国巴斯大学演示了一种掺Yb3+的PCFL，在730nm波长以上具有GVD的PCF中首次获
得激光作用
[6]
2004年，英国SPI制备双端泵浦12m长的双包层
光纤(内NA低于0.05，芯径40μm)，输出功率1.36kW，输出激光波长在1.1μm，光束质量因子M2=1.4，光束质量接近衍射极限，斜率为83%[10]；丹麦CrystalFibre公司制备出基于形状双折射原理研制的掺Yb3+双包层偏振PCF，得到了2.9W的偏振激光输出。其纤芯大小为
。该激光器具有大空气孔和小芯径的
PCF，固体纤芯直径为1.6μm，掺杂区直径为0.9μm；其激射阈值小于10mW，输入功率330mW时，获得14mW的输出功率。
2001年Wadsworth等人报导了第一台大模面积掺Yb3+PCF激光器[7]。采用的泵浦光源为波长915nm的钛宝石激光器,当泵浦光为1.03W时得到了波长1040nm处315mW的单模激光输出。同年，Furusawa
等人用波长966nm的半导体激光器泵浦一段长度约为1m的掺Yb3+PCF，得到平均输出功率为17mW，脉宽约15ps，斜率效率约75%，波长调谐范围从1030～
3×7μm2，双折射系数为1.4×10-4。同年，英国Strathclyde大学与丹麦CrystalFibreA/S公司合作，首次研制出具有高偏振输出的PCFL。由于采用了不对称半导体结构，使该激光具有200:1以上的线性偏振，并获得3.7W的输出功率。
2007年，丹麦的CrystalfibreA/S公司制备出双包
层偏振保持Yb3+掺杂PCF（DC-200/70-PM-Yb-
1050nm，谱宽为0.1nm，实现了第一台掺Yb3+锁模PCF
激光器[12]。
ROD）。这种光纤能够做到偏振保持特性，并且其有效面积高达2000μm2，大的有效面积保证光纤比较大的
脉冲吸收，吸收系数为30dB/m，其外直径高达1.7mm，大的外径保证了光纤有一个比较大的芯，也就不再受弯曲损耗的限制[11]。
2.2掺Yb3+双包层PCF激光器
将光子晶体光纤设计成双包层结构，可提高其对泵浦光的吸收。用厚度小于传输波长的硅条在其内包层周围悬置硅网构成空气包层，可以大大提高内包层的数值孔径。大数值孔径内包层的PCF可以较大地缩小内包层直径而维持对泵浦光的吸收不变。同时，通过提高纤芯与内包层的面积比可以提高纤芯对泵浦光的吸收，并使PCF的工作长度缩短。大模面积的设计和有效缩短吸收长度可以大大减小光纤中的非线性效应，有利于制作高功率PCF激光器。
2008年3月，德国Jena研究所与丹麦CrystalFi-breA/S公司合作报道了一种Yb3+掺杂单横模棒状PCF，这种光纤具有低非线性和内在偏振稳定的优势。基模模场面积高达2300μm2，输出功率高达163W，在
谐振腔没有任何附加偏振元件的条件下偏振度大于
85％，输出光束的质量M2＝1.2，单横模窗口的范围是1030～1080nm，与掺Yb3+硅光纤的增益轮廓能够很好
的重叠，这种用于偏振或偏振保持的稀土掺杂双包层光纤具有迄今最大的模场面积。
近几年，国外的大模面积双包层掺Yb3+PCFL发展迅速，而国内PCF激光器的研究刚刚起步，由于PCF研制技术等方面的限制，目前国内只限于中低功率的
2003年1月，Wadsworth等人报导了利用大模面
积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器，其结构为双程后向线性腔结构，最大输出功率3.9W，斜率效率
30%，实现单横模运转。所采用的PCF纤芯直径为15μm，内包层数值孔径大于0.8
[8]
。德国耶拿的PCF激光器的研究。
2007年，西安光机所和四川大学使用两根单模掺Yb3+光子晶体光纤PCF1和PCF2（纤芯直径为40μm，模场面积为1000μm2）作为增益，利用自成像谐振腔技术，获得了最大相干输出功率为95.8W，耦合效率为90.2％。
2008年，河北大学和南开大学利用纤芯直径23μm、内包层直径420μm的掺Yb3+双包层PCF，基于
利特罗装置中的闪耀光栅，实现了波长范围为
FriedrichSchiller大学和丹麦的CrystalFiber公司根据双包层和大模场面积设计制作出大功率掺Yb3+PCFL。2.3m长的空气包层PCFL实现了80W输出功率，斜效率为78%[9]。该双包层由一个具有六角形晶格的空气
孔内泵浦芯包层和一个390nm厚、约50μm长的SiO2桥形外包层薄板构成。为了获得三角形的28μm大模场面积纤芯，在拉制光纤前插入了三根掺Yb3+的光纤棒。纤芯掺杂Al3+以增加Yb3+的溶解性，而且掺进了氟用来补偿掺杂Yb3+和A13+后纤芯折射率的增加，使掺杂后纤芯折射率接近纯硅。此外，具有类似结构的4m长PCFL的输出功率增长到260W，并有千瓦级的输出潜力。
1035.425～1111.770nm的可调谐输出。在不同的波长
下，激光输出功率的平坦度为0.8dB。在12.11W的最大泵浦功率下，可以得到输出功率为3.45W的最大输出。
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2009年第1
期
牛静霞,周桂耀,侯蓝田,等：光子晶体光纤在光纤激光器中的应用
纤激光器的最新进展，充分证明了其在高功率激光器应用中广阔前景。相信随着新的光纤材料、光纤结构的不断出现和制作工艺的日趋成熟，光子晶体光纤不但将在高功率激光器领域中的应用研究更加深入、广泛,而且也将为科研工作者提供更加广阔的想象与创新的空间。
图2燕山大学制备的几种掺Yb光子晶体光纤及纤芯结构图
3+
燕山大学红外光纤与传感研究所在国内率先进行了光子晶体光纤的研制，已设计和制造过多种特异结构和集成式微结构光纤，见图2。目前，燕山大学与天津大学和郑州大学合作，正在进行“超大功率集成式多芯微结构光纤激光器的研究”，最终目标是完成一个可以输出千瓦级的高功率光纤激光系统。所制备的掺
参考文献：
[1]RUSSELLP.PhotonicCrystalFibers[J].Science,2003,299(12):358-362.
[2]MANGABJ,KNIGHTJC,BIRKSTA,etal.Experimentalstudyofdual-corephotoniccrystalfiber[J].Electron.Lett,2000,36(16):1358-1359.[3]MAFIA,MOLONEYJV.Phaselockinginpassivemulti-corephotoniccrystalfiber[J].Opt.Soc.Am.B,2004,21(5):897-902.
[4]KNIGHTJC,BIRKSTA,RUSSELLPSJ,etal.All-silicasingle-modeopticalfiberwithphotoniccrystalcladding[J].Opt.Lett,1996,21(19):1547-1549.
[5]MORTENSENNA,NIELSENMD,FOLKENBERGJR,etal.Im-provedlarge-mode-areaendlesslysingle-modephotoniccrystalfibers[J].Opt.Lett,2003,28(6):393-395.
[6]TSUCHIDAY,SAITOHK,KOSHIBAM,etal.Designofsingle-modholeyfiberswithlarge-mode-areaandlowbendinglosses:Thesignificanceofthering-coreregion[J].Opt.Exp,2007,15(4):1794-1803.
[7]WADSWORTHWJ,KNIGHTJC,RUSSELLPJ,etal.Largemodeareaphotoniccrystalfiberlaser[J].ConferenceonLasersandElectro-Optics,2001,23(6):319-322.
[8]FURUSAWAK,MONROTM,PETROPOULOSP,etal.Modelockedlaserbasedonytterbiumdopedholeyfibers[J].Elec.Lett,2001,37(9):560-561.
[9]林浩佳,阮双琛,程超,等.掺Yb3+双包层大模面积光子晶体光纤激光器的研究[J].光子学报,2004,7,33(7):797-799.
Yb3+双包层大模面积光子晶体光纤的纤芯掺杂Yb3+的浓度为2000～10000ppm。光纤的内包层分布着5～8层空气孔，其直径d＝2～3μm，孔间距Λ＝7～13μm之间。尽
可能让零色散波长在泵浦波长处，并且要设计包层中的光子带隙也有利于泵浦能量的利用。外包层为大空气孔，空气填充率超过95%，以增大和内包层的折射率差。最外层仍为玻璃材料，起支撑作用。采用此种双包层PCF设计，可以保证多模大功率激光泵浦时能量集中在纤芯。纤芯的输出为高偏振光束，由于光束之间的互相耦合作用，使其相位保持相长相干状态，实现多光束相干输出，既具有优良光束质量，又可以很大的提高其输出功率。
3结束语
光子晶体光纤由于其灵活的光学可控性和新颖的结构特性，在实现大数值孔径和大模场面积的同时，保证单横模运转，且耐热性能好，比常规双包层光纤更适用于高功率激光器的研制。国内外高功率光子晶体光
[10]WADSWORTHWJ,RERCIVARM,BOUWMANSG,etal.Highpowerair-cladphotoniccrystalfiberlaser[J].Opt.Exp,2003,11(1):48-53.[11]LIMPERTJ,SCHREIBERT,NOLTES,etal.High-powerair-cladlarge-mode-areaphotoniccrystalfiberlaser[J].Opt.Exp,2003,11(7):818-
823.
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光子晶体光纤在光纤激光器中的应用
牛静霞，周桂耀，侯蓝田，宋昭远，靳涛涛，董世蕊，夏长明
（燕山大学红外光纤与传感研究所，河北秦皇岛066004）
摘要：光子晶体光纤研究的日趋成熟不仅拓宽了光纤激光器的研究领域，同时也推动了激光技术的发
展。文章针对大模面积双包层光子晶体光纤的特点，探讨了其在光纤激光器中的应用，重点阐述了光子晶体光纤在光纤激光器应用领域的最新进展，并介绍了燕山大学在制备稀土掺杂光子晶体光纤上所取得的最新成果。
关键词：光子晶体光纤；光纤激光器；大模面积；掺Ｙｂ３＋双包层中图分类号：TN253
文献标识码：A
文章编号：1002-5561(2009)01-0044-04
Applicationsofphotoniccrystalfiberinfiberlaser
NIUJing-xia,ZHOUGui-yao,HOULan-tian,
SONGZhao-yuan,JINTao-tao,DONGShi-rui,XIAChang-ming
(InstituteofInfraredFiberandSensors,
YanshanUniversity,QinhuangdaoHebei066004,China)
Abstract:Theadvancementofphotoniccrystalfibernotonlyexpandedthefieldoffiberlaserresearch,butalsopromotedthedevelopmentoflasertechnology.Forthefiberlaserapplication,thecharacteristicsoflargemodedouble-cladareaPCFweredescribedinthisarticle.ItwasintroducedthatthelatestprogressthePCFusedintheopticalfiberlaserandtheachievementoftheYanShanUniversityaboutthemanufactureofdopedPCF.
Keywords:photoniccrystalfiber,fiberlaser,largemodearea,Yb3+-dopeddouble-clad
0引言
光纤激光器作为激光领域的新兴技术，近年来成为科学研究领域的热点问题。光纤激光器采用光纤作为增益介质，泵浦光在纤芯内形成高功率密度，当加入正反馈回路时，便产生激光输出[1]。对于采用常规光纤的光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光为单模，这就限制了泵浦光的入纤效率。且当激光器高功率运转时，由于纤芯的非线性效应，也将限制输出功率的极限值。光子晶体光纤由于其灵活的光学可控性和特殊结构，可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷[2，3]。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的各种性能
收稿日期：2008-09-23。
基金项目：国家自然基金重点项目(60637010)资助。
作者简介：牛静霞(1982-)，女，硕士研究生，主要研究方向为光子晶体光纤的制备和检测。
有了显著提高[4]。因此，基于光子晶体光纤的光纤激光器以其高输出功率、低阈值、高效率、窄线宽和可调谐等优点，其发展和应用得到了社会各方面的广泛关注。本文将主要结合大模面积双包层光子晶体光纤的结构特点，系统分析光子晶体光纤在高功率光纤激光器领域的最新进展和应用前景,并介绍我们课题组最新制备的各种结构新颖的稀土掺杂光子晶体光纤。
1大模面积双包层光子晶体光纤
大模面积光子晶体光纤是通过设计光子晶体光纤的微结构来获得大模场单模面积的一种新型特种光纤，其纤芯密度大为降低，有效地抑制了久难解决的热光问题。
我们设计了八角排列光子晶体光纤(O-PCF)并采用有效面积法研究其模式截止特性。图1(a)和(b)分别为二阶模有效面积和基模有效面积随波长的变化关系。通过计算不同结构O-PCF和六角排列光子晶体光
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2009年第1
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牛静霞,周桂耀,侯蓝田,等：光子晶体光纤在光纤激光器中的应用
纤(H-PCF)二阶模和基模的截止波长，得到了两种光纤非限制模，基模和二阶模的相位图，如图1(c)。其中介于非限制模和二阶模两条相位线之间的区域为单模传输范围，并且可以很容易看出在相同填充率时O-PCF的单模运转区域要比H-PCF的宽。所以通过设计灵活设计包层结构，可以很好地实现大模场面积，并且保持单模运转的光子晶体光纤。
大模面积光子晶体光纤可以承受和传输更高的激光功率，并且具有高转换效率、高亮度和高光束质量等优点；同时，利用光子晶体光纤的微结构可设计特性、可将大模面积光子晶体光纤的包层设计成高数值孔径的双包层结构。双包层结构的大模面积光子晶体光纤具有大模场面积，能够极大地降低非线性效应，而增大的数值孔径结构又能够极大地提高抽运耦合效率。掺杂稀土的双包层光子晶体光纤是由掺杂的纤芯和具有光子晶体结构的包层组成。光纤的内包层区域内含有许多规则排列的、沿轴向延伸的微小空气孔；内外包层由紧密排列的大空气孔相隔。这种光纤也很容易实现大模面积和大数值孔径内包层的设计。大的芯径尺寸增强了对泵浦光的吸收，高数值孔径内包层提高了泵浦光的耦合效率，减少了光纤的长度，从而减小了纤芯中的非线性效应。
1998年，Knight等首次拉制出了大模面积光子晶
体光纤
(a)O-PCF与H-PCF二阶模有效面积随波长的变化关系
[5]
。目前光子晶体光纤的模场面积可以做
1500μm2以上，比传统单模光纤的模场面积大一个数量级。2006年3月，德国Jena研究报导了一种新型的LMA棒状PCF，通过缺失光纤中心的19个空气孔形
成LMA，掺杂纤芯直径高达60μm2，模场面积高达
2000μm2；实验中仅利用0.58m这种光纤，在425W泵
浦功率下，获得320W连续单横模激光输出，斜率效率高达78％，相当于1m产出激光550W。2007年,Yuk-
ihiroTsuchida等[7]设计了在1.064mm处，模场面积达1400mm2，高阶模损耗大于1dB/m，弯曲半径可达5cm，光束质量因子M2=1.15的大模面积光子晶体光纤。
2光子晶体光纤在激光器中的应用
(b)O-PCF与H-PCF基模有效面积随波长的变化关系
光纤激光器由于具有结构紧凑、效率高及光束质量好等优点,成为固体激光器发展的热点。而基于光子晶体光纤的光纤激光器因其具有超大的模面积、宽带单模传输、大幅度可调的色散特性等优点，也有着更为广阔的应用前景。从2000年首台光子晶体光纤激光器问世到现在的短短几年间，各种类型的光子晶体光纤激光器等纷纷涌现。其中,由于掺稀土元素大模面积PCF激光器解决了普通光纤激光器在激光器高功率运转时会由于纤芯能量过于密集而出现一些非线性效应并会导致光纤的损坏的问题而成为研究的重要方向。
目前报导的掺杂大模面积PCF激光器主要有掺
(c)O-PCF和H-PCF非限制模，基模和二阶模相位图
图1O-PCF与H-PCF二阶模和基模
有效面积随波长的变化关系及相位图
Yb3+、掺Nd3+和掺Er3+三种PCF激光器。报导最多的是掺Yb3+PCF激光器。
2009年第1
期
訛輳輨
牛静霞,周桂耀,侯蓝田,等：光子晶体光纤在光纤激光器中的应用
2.1传统掺Yb3+PCF激光器
2000年，英国巴斯大学演示了一种掺Yb3+的PCFL，在730nm波长以上具有GVD的PCF中首次获
得激光作用
[6]
2004年，英国SPI制备双端泵浦12m长的双包层
光纤(内NA低于0.05，芯径40μm)，输出功率1.36kW，输出激光波长在1.1μm，光束质量因子M2=1.4，光束质量接近衍射极限，斜率为83%[10]；丹麦CrystalFibre公司制备出基于形状双折射原理研制的掺Yb3+双包层偏振PCF，得到了2.9W的偏振激光输出。其纤芯大小为
。该激光器具有大空气孔和小芯径的
PCF，固体纤芯直径为1.6μm，掺杂区直径为0.9μm；其激射阈值小于10mW，输入功率330mW时，获得14mW的输出功率。
2001年Wadsworth等人报导了第一台大模面积掺Yb3+PCF激光器[7]。采用的泵浦光源为波长915nm的钛宝石激光器,当泵浦光为1.03W时得到了波长1040nm处315mW的单模激光输出。同年，Furusawa
等人用波长966nm的半导体激光器泵浦一段长度约为1m的掺Yb3+PCF，得到平均输出功率为17mW，脉宽约15ps，斜率效率约75%，波长调谐范围从1030～
3×7μm2，双折射系数为1.4×10-4。同年，英国Strathclyde大学与丹麦CrystalFibreA/S公司合作，首次研制出具有高偏振输出的PCFL。由于采用了不对称半导体结构，使该激光具有200:1以上的线性偏振，并获得3.7W的输出功率。
2007年，丹麦的CrystalfibreA/S公司制备出双包
层偏振保持Yb3+掺杂PCF（DC-200/70-PM-Yb-
1050nm，谱宽为0.1nm，实现了第一台掺Yb3+锁模PCF
激光器[12]。
ROD）。这种光纤能够做到偏振保持特性，并且其有效面积高达2000μm2，大的有效面积保证光纤比较大的
脉冲吸收，吸收系数为30dB/m，其外直径高达1.7mm，大的外径保证了光纤有一个比较大的芯，也就不再受弯曲损耗的限制[11]。
2.2掺Yb3+双包层PCF激光器
将光子晶体光纤设计成双包层结构，可提高其对泵浦光的吸收。用厚度小于传输波长的硅条在其内包层周围悬置硅网构成空气包层，可以大大提高内包层的数值孔径。大数值孔径内包层的PCF可以较大地缩小内包层直径而维持对泵浦光的吸收不变。同时，通过提高纤芯与内包层的面积比可以提高纤芯对泵浦光的吸收，并使PCF的工作长度缩短。大模面积的设计和有效缩短吸收长度可以大大减小光纤中的非线性效应，有利于制作高功率PCF激光器。
2008年3月，德国Jena研究所与丹麦CrystalFi-breA/S公司合作报道了一种Yb3+掺杂单横模棒状PCF，这种光纤具有低非线性和内在偏振稳定的优势。基模模场面积高达2300μm2，输出功率高达163W，在
谐振腔没有任何附加偏振元件的条件下偏振度大于
85％，输出光束的质量M2＝1.2，单横模窗口的范围是1030～1080nm，与掺Yb3+硅光纤的增益轮廓能够很好
的重叠，这种用于偏振或偏振保持的稀土掺杂双包层光纤具有迄今最大的模场面积。
近几年，国外的大模面积双包层掺Yb3+PCFL发展迅速，而国内PCF激光器的研究刚刚起步，由于PCF研制技术等方面的限制，目前国内只限于中低功率的
2003年1月，Wadsworth等人报导了利用大模面
积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器，其结构为双程后向线性腔结构，最大输出功率3.9W，斜率效率
30%，实现单横模运转。所采用的PCF纤芯直径为15μm，内包层数值孔径大于0.8
[8]
。德国耶拿的PCF激光器的研究。
2007年，西安光机所和四川大学使用两根单模掺Yb3+光子晶体光纤PCF1和PCF2（纤芯直径为40μm，模场面积为1000μm2）作为增益，利用自成像谐振腔技术，获得了最大相干输出功率为95.8W，耦合效率为90.2％。
2008年，河北大学和南开大学利用纤芯直径23μm、内包层直径420μm的掺Yb3+双包层PCF，基于
利特罗装置中的闪耀光栅，实现了波长范围为
FriedrichSchiller大学和丹麦的CrystalFiber公司根据双包层和大模场面积设计制作出大功率掺Yb3+PCFL。2.3m长的空气包层PCFL实现了80W输出功率，斜效率为78%[9]。该双包层由一个具有六角形晶格的空气
孔内泵浦芯包层和一个390nm厚、约50μm长的SiO2桥形外包层薄板构成。为了获得三角形的28μm大模场面积纤芯，在拉制光纤前插入了三根掺Yb3+的光纤棒。纤芯掺杂Al3+以增加Yb3+的溶解性，而且掺进了氟用来补偿掺杂Yb3+和A13+后纤芯折射率的增加，使掺杂后纤芯折射率接近纯硅。此外，具有类似结构的4m长PCFL的输出功率增长到260W，并有千瓦级的输出潜力。
1035.425～1111.770nm的可调谐输出。在不同的波长
下，激光输出功率的平坦度为0.8dB。在12.11W的最大泵浦功率下，可以得到输出功率为3.45W的最大输出。
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2009年第1
期
牛静霞,周桂耀,侯蓝田,等：光子晶体光纤在光纤激光器中的应用
纤激光器的最新进展，充分证明了其在高功率激光器应用中广阔前景。相信随着新的光纤材料、光纤结构的不断出现和制作工艺的日趋成熟，光子晶体光纤不但将在高功率激光器领域中的应用研究更加深入、广泛,而且也将为科研工作者提供更加广阔的想象与创新的空间。
图2燕山大学制备的几种掺Yb光子晶体光纤及纤芯结构图
3+
燕山大学红外光纤与传感研究所在国内率先进行了光子晶体光纤的研制，已设计和制造过多种特异结构和集成式微结构光纤，见图2。目前，燕山大学与天津大学和郑州大学合作，正在进行“超大功率集成式多芯微结构光纤激光器的研究”，最终目标是完成一个可以输出千瓦级的高功率光纤激光系统。所制备的掺
参考文献：
[1]RUSSELLP.PhotonicCrystalFibers[J].Science,2003,299(12):358-362.
[2]MANGABJ,KNIGHTJC,BIRKSTA,etal.Experimentalstudyofdual-corephotoniccrystalfiber[J].Electron.Lett,2000,36(16):1358-1359.[3]MAFIA,MOLONEYJV.Phaselockinginpassivemulti-corephotoniccrystalfiber[J].Opt.Soc.Am.B,2004,21(5):897-902.
[4]KNIGHTJC,BIRKSTA,RUSSELLPSJ,etal.All-silicasingle-modeopticalfiberwithphotoniccrystalcladding[J].Opt.Lett,1996,21(19):1547-1549.
[5]MORTENSENNA,NIELSENMD,FOLKENBERGJR,etal.Im-provedlarge-mode-areaendlesslysingle-modephotoniccrystalfibers[J].Opt.Lett,2003,28(6):393-395.
[6]TSUCHIDAY,SAITOHK,KOSHIBAM,etal.Designofsingle-modholeyfiberswithlarge-mode-areaandlowbendinglosses:Thesignificanceofthering-coreregion[J].Opt.Exp,2007,15(4):1794-1803.
[7]WADSWORTHWJ,KNIGHTJC,RUSSELLPJ,etal.Largemodeareaphotoniccrystalfiberlaser[J].ConferenceonLasersandElectro-Optics,2001,23(6):319-322.
[8]FURUSAWAK,MONROTM,PETROPOULOSP,etal.Modelockedlaserbasedonytterbiumdopedholeyfibers[J].Elec.Lett,2001,37(9):560-561.
[9]林浩佳,阮双琛,程超,等.掺Yb3+双包层大模面积光子晶体光纤激光器的研究[J].光子学报,2004,7,33(7):797-799.
Yb3+双包层大模面积光子晶体光纤的纤芯掺杂Yb3+的浓度为2000～10000ppm。光纤的内包层分布着5～8层空气孔，其直径d＝2～3μm，孔间距Λ＝7～13μm之间。尽
可能让零色散波长在泵浦波长处，并且要设计包层中的光子带隙也有利于泵浦能量的利用。外包层为大空气孔，空气填充率超过95%，以增大和内包层的折射率差。最外层仍为玻璃材料，起支撑作用。采用此种双包层PCF设计，可以保证多模大功率激光泵浦时能量集中在纤芯。纤芯的输出为高偏振光束，由于光束之间的互相耦合作用，使其相位保持相长相干状态，实现多光束相干输出，既具有优良光束质量，又可以很大的提高其输出功率。
3结束语
光子晶体光纤由于其灵活的光学可控性和新颖的结构特性，在实现大数值孔径和大模场面积的同时，保证单横模运转，且耐热性能好，比常规双包层光纤更适用于高功率激光器的研制。国内外高功率光子晶体光
[10]WADSWORTHWJ,RERCIVARM,BOUWMANSG,etal.Highpowerair-cladphotoniccrystalfiberlaser[J].Opt.Exp,2003,11(1):48-53.[11]LIMPERTJ,SCHREIBERT,NOLTES,etal.High-powerair-cladlarge-mode-areaphotoniccrystalfiberlaser[J].Opt.Exp,2003,11(7):818-
823.
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