李天琦,房巨強(qiáng),雷 健,李 寶,毛小潔,秘國江,姜東升

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

1 引 言

使用棒狀光子晶體光纖(ROD-PCF)放大是一種新興的超短脈沖放大方式。利用這種光纖可以很容易地得到大模場(chǎng)直徑、高光束質(zhì)量、大平均功率的超短脈沖激光[1]。為了使種子光的功率在棒狀光子晶體光纖中得到充分的放大,并且光束質(zhì)量的損失要最小,種子光與棒狀光子晶體光纖之間的耦合就顯得尤為重要。

種子光耦合進(jìn)入棒狀光子晶體光纖的方式通常為透鏡耦合,這種耦合方式對(duì)透鏡的位置、焦距等要求非?？量?需要經(jīng)過較為復(fù)雜的計(jì)算與仿真才能獲得合適的透鏡焦距。透鏡耦合系統(tǒng)在調(diào)整的時(shí)候具有一定的難度,需要對(duì)單個(gè)透鏡的多個(gè)維度進(jìn)行調(diào)整,以及對(duì)多個(gè)透鏡進(jìn)行配合調(diào)整[2]才能達(dá)到最好的效果。種子光的光束質(zhì)量經(jīng)過多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)后可能會(huì)出現(xiàn)惡化,應(yīng)當(dāng)盡可能減少種子光通過的光學(xué)系統(tǒng),因此選擇單透鏡耦合作為種子光耦合進(jìn)入棒狀光子晶體光纖的耦合方式。

種子源產(chǎn)生的光束可以近似為高斯光束,高斯光束到光纖耦合的基本原理就是高斯光束模場(chǎng)與光纖模場(chǎng)的模式匹配[3-4],本文仿真計(jì)算了在單透鏡耦合情況下耦合效率與透鏡位置和焦距的關(guān)系。利用λ=1030 nm的SESAM鎖模固體激光器作為種子源(M2≤1.2),對(duì)芯徑D=85 μm(模場(chǎng)直徑為DMF=65 μm)的棒狀光子晶體光纖進(jìn)行了耦合實(shí)驗(yàn)。

2 理論分析

單透鏡耦合系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 單透鏡耦合原理圖

理論推導(dǎo)中的光束為理想基模高斯光束,光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡為理想透鏡。L是入射光束束腰與光纖端面之間的距離,l1為入射光束束腰與透鏡的距離,l為透鏡與光纖端面之間的距離,ω0為入射光束腰半徑,ω為光纖端面上的光斑半徑。由已知可以得到:

L=l1+l

(1)

設(shè)透鏡焦距為F則該系統(tǒng)的傳播矩陣為:

(2)

由已知入射光束的共焦參數(shù)為:

(3)

則入射光束束腰處的q參數(shù)為:

qin=jf

(4)

通過該系統(tǒng)變換后透鏡平面上的q參數(shù)為:

(5)

則輸出光束束腰與聚焦鏡的距離為:

l2=-Reqout

(6)

輸出光束的共焦參數(shù)為:

f1=Imqout

(7)

輸出光束的束腰半徑為:

(8)

輸出光束在光纖端面上的q參數(shù)為:

q=jf1+l-l2

(9)

輸出光束在光纖端面上的光斑半徑為:

(10)

對(duì)于經(jīng)過系統(tǒng)變換后的基模高斯光束,其在光纖端面上的模場(chǎng)分布可以表示為[5]:

(11)

其中,U0為模場(chǎng)振幅,波數(shù)k為:

k=2π/λ

(12)

對(duì)于光子晶體光纖,其端面模場(chǎng)分布為可以近似為高斯分布[6-7]:

(13)

其中,UROD-PCF0與DMF分別為ROD-PCF的模場(chǎng)振幅和模場(chǎng)直徑。則理想的耦合效率為[7]:

(14)

3 仿真與分析

結(jié)合式(1)～(14)分別計(jì)算出當(dāng)透鏡焦距、入射光束束腰與光纖端面的距離一定時(shí)耦合效率隨透鏡位置的變化關(guān)系以及當(dāng)透鏡與光纖端面的距離、入射光束束腰與光纖端面的距離一定時(shí)耦合效率隨透鏡焦距的變化關(guān)系。對(duì)于光纖端面當(dāng)光束入射并且通過光纖傳導(dǎo)輸出時(shí),光纖的前后兩個(gè)端面會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射損耗。一般來說單獨(dú)一個(gè)端面的菲涅爾反射損耗約為3.5%～4%,光纖的前后兩個(gè)端面總的菲涅爾反射損耗約為8%左右[6]。當(dāng)忽略高斯光束與光纖耦合的失準(zhǔn)損耗時(shí),前兩種情況下的耦合效率如圖2與圖3所示。模擬計(jì)算所用的參數(shù)為:光纖棒的模場(chǎng)直徑DMF=65 μm,所用光束的波長(zhǎng)λ=1030 nm,束腰半徑ω0=0.4 mm,光束質(zhì)量M2=1,入射光束束腰與光束端面之間的距離L=885 mm,第一種情況所用的透鏡焦距F=103.26 mm,第二種情況透鏡與光纖端面的距離l=120 mm。

圖2 耦合效率與透鏡位置的關(guān)系

圖3 耦合效率與透鏡焦距的關(guān)系(l1與l為定值)

從圖2可以看出,當(dāng)入射光束束腰與光纖端面的距離光纖端面以及透鏡的焦距一定時(shí),耦合效率隨著透鏡與光纖端面的距離增大而先增大后減小。從圖3可以看出,當(dāng)入射光束束腰與光纖端面的距離以及透鏡與光纖端面距離一定時(shí),耦合效率隨著透鏡焦距增大而先增大后減小。兩種情況下最大耦合效率均可達(dá)到80%以上。

從圖2中可以看到,當(dāng)透鏡焦距為103.26 mm且與端面的距離在90～150 mm之間時(shí)耦合效率會(huì)急劇地變化。從圖3中可以看到,當(dāng)透鏡固定在距離端面120 mm處時(shí),透鏡的焦距在80～140 mm之間時(shí)耦合效率會(huì)急劇地變化,。

實(shí)驗(yàn)中可能還會(huì)遇到橫向?qū)?zhǔn)誤差所帶來的橫向偏移損耗,以及角度誤差所帶來的角度偏移損耗,這兩種損耗也會(huì)在一定程度上造成耦合效率的下降,具體的影響情況在所引文獻(xiàn)[6]有很詳細(xì)的解釋。因此在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,要求耦合透鏡的調(diào)整架有非常高的調(diào)節(jié)精度。

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所種子源為輸出波長(zhǎng)λ=1030 nm、光束質(zhì)量M2≤1.2的SESAM鎖模固體激光器,所用光纖棒為NKT公司生產(chǎn)的aeroGAIN-ROD-PM85,纖芯直徑為D=85 μm、模場(chǎng)直徑DMF=65 μm、纖芯數(shù)值孔徑NA=0.015,為了避免較高的菲涅爾反射損耗,光纖兩端面均鍍有增透膜。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上分別搭建兩種實(shí)驗(yàn)光路,所使用的透鏡焦距均為F=103.26 mm,M1-M4為45°全反射鏡。實(shí)驗(yàn)光路圖如圖4所示。

圖4 單透鏡耦合實(shí)驗(yàn)光路簡(jiǎn)圖

單透鏡耦合的情況下,種子源產(chǎn)生的光束經(jīng)過兩次反射通過隔離器,再經(jīng)過一次反射并由透鏡耦合進(jìn)入光纖棒。由于光纖棒對(duì)于各種對(duì)準(zhǔn)誤差特別敏感,因此,透鏡的鏡架必須可以調(diào)節(jié)鏡子的前后、左右、上下、俯仰、左右傾斜五個(gè)維度并且精度很高。

單透鏡情況下的調(diào)整過程是:首先調(diào)節(jié)M2與M3使光束基本水平,并且左右偏差較小,光斑高度與光纖架的高度基本一致；然后在光路中加入光纖棒,使光纖棒的前端與光斑的中心對(duì)準(zhǔn),并調(diào)節(jié)光纖棒的后端,用熒光片反復(fù)觀察,直到通過光纖棒的光強(qiáng)度最大為止；接著在光纖棒的后端加入CCD和一個(gè)透鏡,并調(diào)節(jié)CCD與透鏡的位置,使得CCD上可以看到光斑的全貌為止；最后將透鏡的放到模擬計(jì)算所得到的最佳位置附近,調(diào)整透鏡使得CCD上的光斑為一個(gè)接近圓形或圓形的光斑,并且周圍的雜散光亮度最低為止。

測(cè)量功率時(shí)光路圖如圖5所示。

圖5 功率測(cè)量光路簡(jiǎn)圖

在測(cè)量功率之前在功率計(jì)的前面加入一個(gè)小孔以阻擋纖芯光以外的雜光,只讓纖芯光進(jìn)入功率計(jì)。之后對(duì)輸入和輸出光進(jìn)行多組測(cè)量并計(jì)算耦合效率。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在單透鏡耦合下分別測(cè)量了三組不同輸入功率情況下輸出功率與耦合效率的情況，如表1～3所示。

根據(jù)三組數(shù)據(jù)可以看出,單透鏡情況下耦合效率基本穩(wěn)定在35%～42%,比仿真得到的80%小了將近一半,導(dǎo)致這種情況的主要原因可能有以下幾點(diǎn):

表1 輸入功率、輸出功率與耦合效率(組1)

表2 輸入功率、輸出功率與耦合效率(組2)

表3 輸入功率、輸出功率與耦合效率(組3)

①種子源的光束質(zhì)量是M2≤1.2并不是仿真中所用的理想狀態(tài)下的基膜高斯光束,這導(dǎo)致了耦合效率的降低。

②種子源輸出的光束在光路中經(jīng)過三次反射和一個(gè)透鏡,可能造成質(zhì)量的進(jìn)一步惡化,這也可能使耦合效率降低。

③耦合透鏡調(diào)整的精度不高造成了各種對(duì)準(zhǔn)誤差的出現(xiàn),由于光纖對(duì)各種對(duì)準(zhǔn)誤差十分敏感,因此造成了耦合效率的降低。

④由于棒狀光子晶體光纖為增益光纖,光纖中摻雜有Yb3+離子,而光纖中的Yb3+離子對(duì)1030 nm的波段有一定的吸收作用,這種吸收在測(cè)定過程中是無法避免的,因此導(dǎo)致測(cè)得耦合效率偏低。

經(jīng)過上述耦合實(shí)驗(yàn)可以得知:要想得到良好的耦合結(jié)果種子源的光束質(zhì)量必須很高圓度必須要好,只有這樣才可以和光纖的模場(chǎng)形成良好的匹配。并且,所經(jīng)過的光學(xué)系統(tǒng)要盡量的少,以避免光束質(zhì)量逐漸惡化。

5 結(jié) 論

本文通過仿真分析了在單透鏡耦合系統(tǒng)下,當(dāng)光纖和種子源位置固定透鏡位置與耦合效率的關(guān)系,以及當(dāng)種子源、光纖和透鏡位置均固定時(shí)耦合效率與透鏡焦距的關(guān)系。并且對(duì)單透鏡耦合情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定,實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整可以發(fā)現(xiàn)透鏡的最佳位置與仿真結(jié)果相符,但是測(cè)量得到的耦合效率由于各種原因低于仿真結(jié)果。通過仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果,得到了后續(xù)放大實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案,對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行起到了關(guān)鍵性的作用。

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