重要的无源器件光纤光栅

 光纤光栅在调Q、锁模、单频、多波长等各种光纤激光器中有重要的应用价值。光栅的物理原理是光纤的光敏性,即光致折变效应。利用光纤在紫外光照射下产生的光致折变效应,在纤芯上形成周期性的折射率调制分布,从而对入射光波中相位匹配的频率产生相干反射．可以在典型的0．1到几十纳米的带宽(Δλ)内产生反射,反射率可以达到100％。光纤光栅的这一重要的波长选择特性使之成为光纤器件中一种最重要的无源器件,受到普遍关注。光纤光栅由最简单和最基本的均匀周期光纤布喇格光栅,发展到多种不同结构、不同特点的光纤光栅。     

用相位掩模法制作光纤光栅的技术

准分子激光照射相位掩模后,在近场形成周期的条纹分布,利用近场光强对光敏光纤进行曝光,可以在纤芯中写人光栅。对光纤光栅折射率分布进行合理假设,运用耦合模理论计算了光纤光栅的反射率,对其反射率与相关参数的关系进行了讨论,并且分析了用相位掩模技术制造光纤光栅的影响因素,得出要获得窄带宽高反射率光栅需有适当的折射率调制和大的光纤光栅长度的结论。另外还导出了掩模板后表面的近场光强分布和光纤光栅的周期公式。     

2μm波段低损耗长周期光纤光栅设计与制作

采用二氧化碳激光逐点刻写技术对2μm波段长周期光纤光栅(LPFG)的传输特性进行了实验研究,探索了光栅周期、折射率调制深度、光栅周期数等光栅刻写参数对光纤光栅在2μm波段特征损耗峰的影响。仿真和实验结果均表明,2μm波段LPFG的谐振中心波长和谐振峰深度可分别通过光栅周期以及光栅长度来调谐,激光扫描次数以及折射率调制都将增加光纤内模式的耦合强度。此外还探究了2μm波段LPFG对于环境温度的敏感特性,通过设计实验测得该波段LPFG的温度灵敏性为74 pm/℃。该研究在2μm波段光纤激光器及其应用的核心器件方面有潜在的应用价值。     

基于飞秒激光制备的啁啾倾斜布拉格光纤光栅

啁啾倾斜布拉格光纤光栅（CTFBG）在高功率光纤激光器的受激拉曼散射（SRS）抑制中有重要的应用。利用飞秒激光在纤芯/包层直径为20/400μm的大模场面积双包层光纤（LMA-DCF）中刻写出不同角度的CTFBG，其最大滤除深度约为15 dB，最大滤除宽度约为8.9 nm。飞秒激光刻写CTFBG可以显著缩短制备周期，对推动CTFBG的研制与发展具有重要意义。     

203W全光纤全保偏结构皮秒掺铥光纤激光器

利用光纤布拉格光栅作为光谱滤波器来控制锁模掺铥光纤激光器的光谱形状和脉冲宽度,以及结合纤芯抽运高掺杂双包层掺铥光纤技术,实现了2μm波段重复频率为611.5 MHz的皮秒脉冲激光输出.利用该高重复频率皮秒激光作为种子源,结合主振荡功率放大技术,研制出了百瓦量级全光纤全保偏结构皮秒脉冲掺铥光纤激光放大系统,得到了平均功率为203 W的线偏振皮秒脉冲激光输出,偏振消光比15 d B,激光脉冲宽度为15 ps,相应的激光峰值功率为22 k W.该结果为目前国际上2μm波段全光纤结构超短脉冲激光器所产生的最高平均输出功率,为下一步2—5μm波段高功率中红外激光的产生提供了可靠的抽运源.     

聚合物太赫兹光纤布喇格光栅

研究了一种基于聚合物太赫兹光纤的太赫兹光纤布喇格光栅.通过二氧化碳激光器或紫外激光器点对点加工聚合物太赫兹光纤,实现聚合物太赫兹光纤直径的周期性调制,从而实现太赫兹光纤布喇格光栅的周期性折射率调制.基于有限元方法和光纤布喇格光栅相关理论,考虑反射峰波长、反射率、带宽、光纤长度、光纤直径和光纤直径形状变化程度等因素,研究了太赫兹光纤布喇格光栅的特性.理论模拟表明,反射峰波长和光栅周期存在与传统光学波段光纤布喇格光栅不同的非线性关系.     

纤芯错位对高功率光纤激光性能的影响

理论分析了纤芯错位对激光输出功率及光束质量的影响,研究表明,纤芯错位后纤芯中的各个模式均有一定的功率衰耗,且基模总会向高阶模耦合,导致光束质量下降。采用20/400μm的双包层掺镱光纤,搭建了高功率全光纤激光振荡系统,实验研究了谐振腔外纤芯错位、谐振腔内纤芯错位以及谐振腔内和谐振腔外纤芯同时错位几种不同的情况对输出激光性能的影响,结果表明,谐振腔内纤芯错位和谐振腔外纤芯错位都会造成激光器性能的下降,但谐振腔内纤芯错位将导致激光器功率明显下降,而谐振腔内和谐振腔外同时错位会导致激光器光束质量急剧下降。     

长周期光纤光栅光谱特性仿真研究

基于耦合模理论,利用传输矩阵法求解出长周期光纤光栅(Long Period Fiber Gratings,LPFGs)的透射谱表达式,模拟分析了LPFGs的光谱特性与光栅参数如周期、刻写长度以及折射率调制深度之间的关系。研究结果表明:LPFGs谐振波长随着周期和折射率调制深度的增大向长波方向移动,且高次模谐振波长对光栅周期更为敏感;光谱带宽的变化主要取决于光栅的刻写长度,随着光栅刻写长度的增加,带宽逐渐变窄,且当光栅刻写长度大于5.2 cm时,光栅存在过耦合区域;随着折射率调制深度的增加,光栅存在不完全耦合、完全耦合和过耦合现象,且谐振损耗最大值位置随着折射率调制深度的增加逐渐向低次转移。该研究结论对长周期光纤光栅的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。     

飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅

在折射率与应变测试时,为了降低温度影响所引起的串扰,对细芯长周期光纤光栅的温度、折射率和应变响应特性进行了研究。通过飞秒激光直写方法在纤芯直径为6μm的单模光纤上成功制备了周期为50μm的长周期光纤光栅。结果表明:在细芯光纤中以低激光能量加工的长周期光纤光栅具有较低的温度灵敏度,同时保持较大的消光比和较好的光谱质量。这种细芯长周期光纤光栅损耗峰在20～700°C温度范围内仅漂移1.7 nm。该光栅对折射率变化也具有较好的响应,环境折射率在1.406 5～1.426 5时,灵敏度最高可达882.51 nm/RIU,应变灵敏度为-2.2 pm/με。这种细芯长周期光纤光栅可以较好地降低折射率与应变测试中由于温度影响带来的串扰。     

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1,温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。     

小半径弯曲条件下传能光纤传输效率研究

利用光线理论分析弯曲光纤模型中的包层光线传输特性,结合半导体激光模块传能尾纤弯曲实验表明,由于光纤弯曲有效数值孔径减小而进入包层的光线并未完全被耗散,当光纤弯曲部分长度较短时,部分未耗散掉的包层光在进入直光纤部分后仍可重新回到纤芯中进而长距离传输作为有用光输出。该结论表明弯曲光纤的传输效率由弯曲半径和弯曲光纤长度共同决定,即在光纤弯曲半径远小于传统理论临界半径的情况下,合理控制传能光纤弯曲部分的长度,仍可获得较高的传输效率。     

Supermode analysis of multicore photonic crystal fibers

We reported on the supermode selection of total-internal-reflection photonic crystal fibers (PCFs) with linearly and circularly distributed multicores. The supermode characteristics were investigated using a full-vector finite-element method (FEM). The near and far-field patterns of supermodes supported by the multicore photonic crystal fiber were presented. A Talbot cavity was employed to select the wanted supermode.     

光子晶体光纤放大器增益特性的实验研究

 采用掺Yb³⁺双包层光子晶体光纤作为放大器的增益介质,在双端泵浦方式下,理论并实验研究了不同信号光时放大器的增益特性。在双端泵浦方式下,泵浦总功率为150.2 W、信号光功率为6 W时,获得了72 W的功率输出,斜率效率达到了60%。实验发现当泵浦总功率超过一定值时,由光纤端面反射形成的振荡腔引起放大器寄生振荡,并由于各种非线性效应出现了自脉动现象,影响了输出功率的进一步提高。     

一种新型可调谐环型腔掺饵光纤激光器输出特性的研究

理论分析了光纤光栅调谐量与光纤应力和拉伸系数间的关系,实验研究了环行腔掺铒光纤激光器的最佳输出耦合比、调谐波长与新型可调谐光纤光栅挤压长度的关系以及不同耦合比对激光线宽和调谐范围的影响。在最佳输出耦合比为9:1时得到3.8mW最大激光输出功率,在耦合比为7:3时最大调谐范围为7.85nm。     

不同基质掺Yb~(3+)光纤的单频极限输出功率

综合分析了不同基质掺Yb3+光纤的材料特性,在改进的极限输出功率理论模型的基础上,对Yb3+掺杂的硅光纤、磷酸盐光纤、YAG晶体(或陶瓷)光纤以及蓝宝石光纤的单频极限输出功率特性进行了详细分析。计算结果表明,YAG晶体(或陶瓷)光纤和蓝宝石光纤单频极限输出功率可以达到10kW以上。分析了单模情况下的极限输出功率,结果表明YAG晶体(或陶瓷)光纤和蓝宝石光纤在单模情况下也有较大优势,目前的单频激光功率还有很大的提升空间。对于单频激光光纤材料而言,降低受激布里渊散射(SBS)增益系数、提高导热性能是提高极限输出功率的有效途径。     

Output Characteristics of High-Power Continuous Wave Raman Fiber Laser at 1239 nm Using Phosphosilicate Fiber

A high-power singlemode Raman fiber laser (RFL) with maximum output power of 4.11 W and maximum power conversion efficiency of 47.40% at 1239 nm is realized using continuous wave 8.4 W Yb-doped double-clad fiber laser as a pump, 700 m phosphosilicate fiber, and a Raman cavity formed by a pair of fiber Bragg grating mirrors at 1239 nm. The output characteristics of the RFL at 1239 nm for different fiber lengths and output mirror reflectance are reported. Theoretical simulation is done to numerically optimize for fiber length and output coupler reflectivity to obtain maximum first Stokes power.     

高功率脉冲在大模场掺Yb3+光纤中的自相似传输放大特性

分析了高功率脉冲在增益光纤中传输放大时非线性薛定谔方程的自相似解,得出注入光的脉宽和能量满足一定关系时,优化增益光纤的长度,才能满足种子光脉冲在增益光纤中的自相似传输放大.揭示了高功率种子光脉冲在光纤中自相似演化的特征参量.此外,模拟了注入能量为400 pJ,脉宽为200 fs,波形分别为正割、高斯以及3阶超高斯的种子光脉冲在纤芯为30μm的大模场增益光纤中的传输放大特性.结果表明3种波形的种子光脉冲的时间波形与光谱均演化为抛物形,时间波形与光谱均发生展宽,但光谱两侧均发生抖动.自相似传输放大后,脉冲为线性啁啾,易于压缩,对实现全光纤高功率超短脉冲产生系统具有重要意义.     

Evolution of modes in double-clad Raman fiber amplifier

Stimulated Raman scattering in a double cladding optical fiber is studied with a continuous wave laser used as a pump source. Under various launch conditions, pump modes are differently excited. Considering the mode coupling effect among the pump modes, the evolution of the power in the Stokes modes is studied. The results show that the scattered waves （the Stokes waves） in the fiber core with 9%tm diameter and 0.14 NA could propagate predominantly in the fundamental mode of the fiber by carefully adjusting the pump light launching conditions.     

光纤陀螺受辐照影响机理分析

构成光纤陀螺敏感器件的保偏光纤环在辐射环境中损耗会增加,陀螺的精度随之降低,从而限制了光纤陀螺在空间中的应用。采用60Co作为辐射源模拟空间辐射环境,对光纤陀螺及其光电器件进行了大量的试验,并对光纤陀螺及其光电器件受空间辐射影响的机理进行了研究,得出光纤陀螺光电器件中保偏光纤环受辐射影响最严重,从而重点分析了光纤陀螺敏感器件保偏光纤环的辐射影响机理,从原理上探讨了保偏光纤环在辐射条件下损耗的增加对光纤陀螺的影响,为光纤陀螺抗辐射加固技术提供了理论基础。     

高双折射光子晶体光纤中均匀布拉格光栅的特性

研究了具有高双折射的光子晶体光纤(HB PCF)中均匀布拉格光栅(FBG)的光谱特性。利用紧凑的超格子模型,对光子晶体光纤的传输特性进行分析,研究正向传输和反向传输的模式之间的耦合规律,从而研究写入光子晶体光纤中的均匀布拉格光栅的特性。首先给出具有C6v对称性的零双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的布拉格波长λB随光纤结构参量的变化规律;然后分析一种高双折射光子晶体光纤中的光纤布拉格光栅的光谱特性,高双折射使两个不同偏振态的反射峰分开较大;最后分析了一种常用的双模双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的光谱特性,LP01模和LPe11模的两个偏振态对应的反射谱都由于高双折射而分开。