高功率光子晶体光纤激光器实验研究

利用F-P谐振腔实验研究了高功率掺Yb3+光子晶体光纤激光器。使用915 nm和976 nm两种波长的泵浦源进行双端泵浦,在23 m长的双包层光子晶体光纤中获得了552 W的连续单模激光输出。该激光器的斜率效率约为76%,光-光转换效率为56%,光谱中心波长为1 078 nm,光束质量平方因子为1.2。     

光子晶体光纤的耦合分析

利用等效折射率模型对光子晶体光纤与普通单模光纤的耦合情况进行了分析,并用有限元分析模型对等效折射率法得到的模场半径随着跨距的增大而增大的模场特性进行了验证,得到了当光子晶体光纤的填充比固定时,随着跨距的增大,耦合损耗会随之减小到最小值,然后又再度增大这一结论.并通过合理地选择光子晶体光纤的填充比以及跨距来提高耦合效率.     

高功率光子晶体光纤激光器温度分布研究

对高功率光子晶体光纤激光器温度分布问题进行了理论研究.在分析光纤热产生机理和结构的基础上,建立了双包层光子晶体光纤激光器稳态切面温度分布简单模型,数值模拟了光纤径向的温度分布、纤芯温度和纤芯-表面温差与纤芯热负载的关系,研究了光纤结构对温度分布的影响;并就激光器光纤泵浦端面的冷却方案进行讨论,数值模拟了外界对流系数不同时纤芯温度的大小.结果表明：对高功率光子晶体光纤激光器采用风冷和水冷的方法可以降低热效应的影响.     

高功率光子晶体光纤激光器实验研究

 从光纤热传导方程出发,研究了不同泵浦光吸收系数对光纤激光器沿光纤长度方向温度分布的影响。结果表明,低吸收系数光纤泵浦端温度相对较低,分布较为平缓,有效减缓光纤的热损伤。根据理论分析结果,实验中选择了吸收系数为1.45 dB/m的掺Yb³⁺双包层光子晶体光纤作为增益介质,在泵浦光功率为560 W时,获得了428.5 W的高功率单模连续输出,斜率效率为76.5%,光束质量因子M²<1.2。由于泵浦端光纤温度较高,实验中对光纤两端进行了主动冷却,并且在离光纤端面约25 cm处的光纤表面温度进行实时测量,结果发现随着泵浦光功率的增加,光纤表面温度均匀增长,最高温度为310 K,温度正常。     

高功率光子晶体光纤激光器实验研究

从光纤热传导方程出发,研究了不同泵浦光吸收系数对光纤激光器沿光纤长度方向温度分布的影响。结果表明,低吸收系数光纤泵浦端温度相对较低,分布较为平缓,有效减缓光纤的热损伤。根据理论分析结果,实验中选择了吸收系数为1.45 dB/m的掺Yb3+双包层光子晶体光纤作为增益介质,在泵浦光功率为560 W时,获得了428.5 W的高功率单模连续输出,斜率效率为76.5%,光束质量因子M2<1.2。由于泵浦端光纤温度较高,实验中对光纤两端进行了主动冷却,并且在离光纤端面约25 cm处的光纤表面温度进行实时测量,结果发现随着泵浦光功率的增加,光纤表面温度均匀增长,最高温度为310 K,温度正常。     

大模场光子晶体光纤激光器研究获得新进展

大模场光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)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．目前PCF的模场面积可以做1500μm^2以上,比传统单模光纤的模场面积大一个数量级,因此大模场PCF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、高光束质量等优点．同时利用PCF的微结构可设计特性,把大模场PCF的包层设计成高数值孔径的双包层结构,可大大提高泵浦耦合效率．     

多芯光子晶体光纤锁模激光器

实验研究了基于掺Yb多芯大模场面积光子晶体光纤的全正色散锁模激光器.增益光纤的18个纤芯呈六角阵列排布,等效的模场直径约为52 μm.激光器基于σ腔结构,腔内没有色散补偿元件,通过半导体可饱和吸收镜实现锁模的自启动.实验获得了平均功率为3.3 W,脉冲宽度为4.92 ps,重复频率为44.68 MHz的锁模脉冲输出,对应的单脉冲能量为74 nJ,脉冲经腔外光栅对压缩为780 fs. 关键词： 光子晶体光纤 多芯 光纤激光器 全正色散     

空间激光与单模光纤和光子晶体光纤的耦合效率

为了设计最优光纤耦合系统,利用高斯模场近似单模阶跃光纤的模场和大模面积光子晶体光纤的模场,推导出了理想情况下空间激光与这两种光纤的耦合效率解析表达式以及光纤端面相对于耦合系统存在横向偏移和端面倾斜时的耦合效率解析表达式。基于上述理论表达式计算了空间激光与光纤的耦合效率,并通过实验验证了此理论表达式的有效性。理论计算和实验均证实了单模阶跃光纤对于横向偏移更敏感,当横向偏移量等于单模光纤的纤芯半径时所对应的耦合效率只有20.25%,为理论最大值的1/4;而大模面积光子晶体光纤对于端面倾斜更加敏感,当端面倾斜2°时对应的耦合效率只有40.5%,为理论最大值的1/2。所提出理论表达式和实验方法完全可以为设计光纤耦合系统提供准确的参数。     

自由耦合输出的大模场面积光子晶体光纤锁模激光器

对一种基于高增益掺Yb³⁺大模场面积光子晶体光纤（PCF）的锁模激光器进行了简化线型腔结构的实验和理论研究.实验中直接使用塌陷打磨为0°角的光纤端面作为一端腔镜,利用其端面反馈获得了激光振荡,并进一步利用半导体可饱和吸收镜（SESAM）和光栅对的滤波作用实现了稳定的锁模运转.通过调节滤波程度,使激光器实现了从宽带滤波锁模到窄带滤波锁模的连续可调谐.在宽带滤波锁模的条件下,得到了最大平均输出功率2.2 W,单脉冲能量29.3 nJ,脉冲宽度367 fs的锁模脉冲输出;在窄带滤波锁模的条 关键词： 飞秒激光 光纤激光器 光子晶体光纤 大模场面积光纤     

双芯高双折射光子晶体光纤耦合特性研究

设计了一种双芯高双折射光子晶体光纤,采用多极法（multipole method）和光纤的模式耦合理论研究了光纤的双折射、耦合长度以及色散特性.数值研究发现,对于空气孔节距 Λ=1.2　μm,空气孔直径d=1.0　μm的光纤,在1.55　μm处双折射度为1.24×10^-2;对应x偏振模的耦合长度为21.6　μm,对应y偏振模的耦合长度为24.3　μm. 这种具有高保偏度和极短耦合长度的双芯光子晶体光纤对于微型光子器件的研制具有重 关键词： 光子晶体光纤 双芯 双折射 耦合长度     

三角结构三芯光子晶体光纤中的模式耦合特性分析

基于耦合模理论,得出了三角结构三芯光子晶体光纤(TTC-PCF)的耦合模方程.数值模拟研究了该结构中纤芯间的定向耦合特性,分析了光纤结构及入射波长对耦合系数的影响以及入射光振幅比对纤芯间能量耦合特性的影响.结果表明,通过调节入射光振幅比可实现对纤芯间耦合强度的连续调节.对比了耦合模理论与束传播法得到的结果,两者表现出很好的一致性.结合TTC-PCF展现的独特耦合传输性能,讨论了其在耦合强度连续可调光纤定向耦合器和大模场光纤激光器的设计与制备等方面的可能应用前景.     

中红外高保偏硫系玻璃双芯光子晶体光纤耦合特性研究

设计了一种中红外硫系玻璃双芯光子晶体光纤,利用多极法和模式耦合基本理论研究了这种光纤的耦合特性.数值模拟发现,空气孔间距Λ = 5.4 μm,空气孔半径为r = 1.35 μm,空气填充率d/Λ = 0.5的光纤,在归一化波长λ/Λ = 2.04 μm处双折射可以达到0.551×10^-2,在归一化波长λ/Λ = 0.93 μm处x偏振方向的耦合长度为145.32 μm,y偏振方向的耦合长 关键词： 双芯光子晶体光纤 硫系玻璃 双折射 耦合长度     

Tunable and switchable multi-wavelength Erbium-doped photonic crystal fiber ring laser incorporating a length of highly nonlinear photonic crystal fiber

A tunable and switchable multi-wavelength Erbium-doped photonic crystal fiber ring laser incorporating a length of single-mode highly nonlinear photonic crystal fiber is proposed and demonstrated experimentally. Stable dual-wavelength and triple-wavelength operations at room temperature are achieved by employing the highly nonlinear photonic crystal fiber to induce four-wave mixing effect and a polarization controller to vary the polarization states of propagation lights in the laser cavity. The laser cavity is free from any wavelength selection components. The laser obtains maximal 30 dB signal-to-noise ratio and the peak power fluctuations of lasing lines are less than 1.39 dB.     

Recent developments in high power near-infrared super-continuum generation based on photonic crystal fiber

High power supercontinuum generation has witnessed rapid developments during the past few years. The mechanism and the latest achievements in high power supercontinuum generation are reviewed both for the continuous wave pump regime and the pulsed pump regime. The challenges in scaling the average power of supercontinuum generation are analyzed. Some of our works on high power supercontinuum generation are summarized, and perspectives for the future development are discussed.     

Ultrafast photonic crystal lasers

We describe recent progress in photonic crystal nanocavity lasers with an emphasis on our recent results on ultrafast pulse generation. These lasers produce pulses on the picosecond scale, corresponding to only hundreds of optical cycles. We describe laser dynamics in optically pumped single cavities and in coupled cavity arrays, at low and room temperature. Such ultrafast, efficient, and compact lasers show great promise for applications in high‐speed communications, information processing, and on‐chip optical interconnects.     

大模场面积光子晶体光纤耗散孤子锁模激光器

研制了一种基于掺Yb3+的双包层大模场面积偏振光子晶体光纤的耗散孤子锁模激光器.利用数值模拟分析了光纤激光器中耗散孤子动力学过程,与全正色散锁模激光器相比,脉冲窄化机理更加丰富,半导体可饱和吸收镜(SESAM)的非线性吸收,啁啾脉冲的光谱滤波以及光纤的增益色散同时起作用,这些因素使耗散孤子锁模更加容易实现,并且稳定运行.其中,光谱滤波的耗散过程是稳定锁模机制的主导因素,滤波片能够在频域和时域同时窄化脉冲,并且去除脉冲啁啾,限制脉冲在腔内始终小于1ps.在实验上实现了无色散补偿腔中直接输出脉冲宽度777fs,最高平均功率达到1W,重复频率48·27MHz,对应单脉冲能量20nJ的飞秒激光.     

基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.