楊家濠 張傲巖 夏長(zhǎng)明 鄧志鵬 劉建濤 黃卓元 康嘉健 曾浩然 蔣仁杰 莫志峰 侯峙云 周桂耀

(華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院，廣州 510006)

1 引言

980 nm 激光器是目前市場(chǎng)及科研研究領(lǐng)域應(yīng)用的最多的激光器，是摻鐿光纖激光器、鉺鐿光纖激光器及放大器的重要抽運(yùn)源.現(xiàn)在市面上已推出了各種類型的980 nm 激光器，如半導(dǎo)體激光器、固體激光器、光纖激光器等，尤其是光纖激光器，由于光束質(zhì)量好、功率高、可全光纖化等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域.目前市場(chǎng)上的高功率980 nm 光纖激光器多為多模激光輸出，可以滿足大部分工業(yè)化需求，但多模光纖激光器的光束質(zhì)量限制了其性能的發(fā)揮.因此，近來(lái)年對(duì)980 nm 單模激光器的研究成為了熱點(diǎn).

目前980 nm 單模激光主要通過(guò)單模增益光纖、雙包層增益光纖、光子晶體增益光纖、全固帶隙光子晶體光纖等實(shí)現(xiàn)單模激光輸出，并且輸出功率也在不斷提升.2000 年，康寧公司Zenteno 等[1]采用了1.1 W 的946 nm Nd:YAG 固體激光器抽運(yùn)980 nm 單模光纖，獲得979.8 nm 單模激光輸出，最大輸出功率為655 mW;2008 年，德國(guó)耶拿大學(xué)Fabian 等[2]利用高功率915 nm LD 抽運(yùn)1.2 m大模場(chǎng)棒狀摻鐿光纖，獲得輸出功率94 W 的980 nm 連續(xù)激光;2010 年，北京工業(yè)大學(xué)李平雪等[3]用946 nm Nd:YAG 固體激光器抽運(yùn)36.5 cm 的摻鐿光纖，獲得功率為100 mW 的980 nm 單模激光輸出;2011 年，北京工業(yè)大學(xué)李平雪等[4]采用30 W 的915 nm LD 抽運(yùn)內(nèi)包層直徑分別為170和200 μm 摻鐿光子晶體光纖，獲得輸出功率分別為1.24 和1.1 W 的980 nm 連續(xù)激光.2014 年，Leich 等[5]通過(guò)使用長(zhǎng)度為0.95 m、纖芯直徑為10—126 μm、數(shù)值孔徑NA為0.15 的錐形光纖，以915 nm 二極管作為抽運(yùn)源，獲得效率為31%、功率為10 W的976 nm 單模激光輸出;2016 年，俄羅斯科學(xué)院光纖研究中心Ballato 等[6]研發(fā)了一種W型纖芯折射率分布的摻鐿光纖，纖芯直徑為28 μm，方形包層邊長(zhǎng)為80 μm，芯徑與包層直徑之比為0.31，獲得了波長(zhǎng)為977 nm、功率為5.5 w 的連續(xù)單模激光輸出，斜率效率為25%;2019 年，國(guó)防科技大學(xué)杜赫庭等[7]在實(shí)驗(yàn)中采用纖芯60 μm，包層直徑130 μm 的雙包層摻鐿光纖，采用976 nm穩(wěn)波長(zhǎng)激光二極管作為種子源，利用915 nm 激光二極管作為抽運(yùn)源，在種子光功率為3 W、抽運(yùn)功率為315 W 的條件下，獲得了功率為113 W、斜率效率為45%的單模激光輸出.從以上分析可以看出，盡管利用雙包層增益光纖和光子晶體增益光纖可以有效獲得980 nm 單模激光輸出，并能夠?qū)崿F(xiàn)高功率激光輸出，但也面臨著輸出效率不高的問(wèn)題.因此，采用新的方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)980 nm 激光器單模輸出，并提高單模激光的輸出功率，將是拓展980 nm 激光應(yīng)用的有效途徑.由于空芯反諧振光纖既可以做到大纖芯又可以保持單模特性，這為高功率980 nm 單模光纖激光器激光的實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟了一個(gè)新的途徑.

空芯反諧振光纖是近幾年來(lái)各國(guó)科研機(jī)構(gòu)、高校院所研究的熱點(diǎn)之一，由于其優(yōu)異的光學(xué)特性如低非線性、超低群速度色散、低溫度敏感性和高損傷閾值等，使其在大功率激光傳輸、量子通信、傳感、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用[8，9]，是未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ奶胤N光纖[10，11]之一.自2011 年誕生以來(lái)，世界各國(guó)已開(kāi)發(fā)了不同種類的空芯反諧振光纖，如冰淇淋結(jié)構(gòu)[12]、單環(huán)結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)[13]、嵌套管結(jié)構(gòu)[14，15]和連接管結(jié)構(gòu)[16]等，并且隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷優(yōu)化，光纖損耗不斷降低.2018 年，北京工業(yè)大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所汪瀅瑩等[16]聯(lián)合報(bào)導(dǎo)了一種空芯連體光纖，在1512 nm 波段的傳輸損耗降低至2 dB/km;2019 年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所于飛等[17]將空芯反諧振光纖在 3.1 μm 處的傳輸損耗降低至 18 dB/km;中國(guó)2020 年，南安普頓大學(xué)Jasion 等[18]以雙琉璃管來(lái)嵌套反諧振無(wú)節(jié)點(diǎn)光纖，實(shí)現(xiàn)了在C+L 波段將傳輸損耗降低至0.28 dB/km.2021 年，OFC 會(huì)議上，英國(guó)南安普頓大學(xué)Tamura 等[19]將五孔嵌套反諧振光纖損耗降到0.22 dB/km，與現(xiàn)在通信光纖損耗相接近，為拓展氣體激光器、高功率激光傳輸?shù)葢?yīng)用創(chuàng)造了新的機(jī)遇.

本文結(jié)合空芯反諧振光纖優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出一種適用于980 nm 激光多模轉(zhuǎn)單模的空芯反諧振光纖，將其與傳統(tǒng)980 nm 多模激光器結(jié)合，有效地提高模式轉(zhuǎn)換效率，并降低了980 nm 單模激光器成本.

2 空芯反諧振光纖結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光機(jī)理

空芯反諧振光纖的典型結(jié)構(gòu)端面圖如圖1 所示[20]，包層由一層空氣孔組成，各個(gè)毛細(xì)管之間無(wú)節(jié)點(diǎn)，有效地減少了表面模對(duì)纖芯模式的損耗，光纖在導(dǎo)光時(shí)，光被限制在纖芯中傳輸，最大程度地降低了固體介質(zhì)對(duì)光纖的傳輸損耗.其導(dǎo)光機(jī)理如圖2 所示[21].包層內(nèi)壁高折射率石英脈區(qū)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)可視作一個(gè)法布里-珀羅(F-P)諧振腔，在共振狀態(tài)時(shí)F-P 腔可視作透明狀態(tài)，光從包層泄漏出去;而在反共振狀態(tài)下，F(xiàn)-P 腔的反射系數(shù)很高，可將光限制在纖芯當(dāng)中.

圖1 空芯反諧振光纖端面圖[20]Fig.1.Cross-section of hollow core anti-resonant fiber[20].

圖2 空芯反諧振光纖導(dǎo)光原理圖[21] (a)反諧振;(b)諧振Fig.2.Light guiding principles of hollow core antiresonant fiber[21]:(a) Antiresonant;(b) resonant.

空芯反諧振光纖的反諧振窗口位置表示為

式中，λγ為反諧振波長(zhǎng);t為石英脈區(qū)的寬度;n為石英玻璃的折射率;m為整數(shù)，與波導(dǎo)的共振數(shù)相對(duì)應(yīng).

3 空芯反諧振光纖的制備

參照反諧振窗口公式，得出特定諧振窗口波段的石英脈區(qū)(即管壁厚t)為

由此算出反諧振窗口為980 nm，波段t=466 nm;設(shè)計(jì)纖芯包層管數(shù)量n影響到光纖的高階模式(higher order modes，HOMs)損耗和彎曲損耗，纖芯芯徑大于20 μm 的空芯光纖常用諧振效應(yīng)將高階模耦合到包層的模式中[22]，其中通過(guò)限制包層管直徑d與纖芯直徑D(最大內(nèi)切圓接觸管)的比例d/D來(lái)抑制對(duì)HOMs 對(duì)光纖的影響，對(duì)于給定包層管數(shù)量n 能夠得到最大的比例d/D，表示[23]為

又因?yàn)?當(dāng)n≥ 8 時(shí) ，(d/D) max(n)≤ (d/D)max(8)=0.62，折射率差距太大會(huì)導(dǎo)致HOMs 無(wú)法與包層模式諧振耦合，因此想通過(guò)諧振耦合實(shí)現(xiàn)對(duì)這些模式的抑制要使包層管數(shù)量n≤ 7[24，25]，由Uebel 等[25]表明，實(shí)現(xiàn)6 孔空芯反諧振光纖設(shè)計(jì)HOMs 抑制的最佳比例d/D≥0.62.設(shè)計(jì)D=30 μm，根據(jù)d/D=0.62 可得d=18.6 μm.設(shè)立足夠厚的外包層，使得纖芯中的光場(chǎng)盡可能小的受到外包層光的散射影響，這里外包層厚度為15 μm，內(nèi)徑ID 為50 μm，外徑OD 為65 μm.設(shè)置好光纖預(yù)設(shè)計(jì)參數(shù)后，使用COMSOL 軟件來(lái)模擬仿真得到光纖的模場(chǎng)分布，得到光纖結(jié)構(gòu)與模場(chǎng)分布如圖3 所示，并計(jì)算出光纖的彎曲損耗和色散等參數(shù)來(lái)檢驗(yàn)光纖的性能.

圖3 光纖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與模場(chǎng)分析圖 (a) 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖;(b) 光纖模場(chǎng)分析圖Fig.3.Fiber design structure and mode field analysis:(a)Optical fiber structure design drawing;(b) optical fiber mode field analysis diagram.

為了計(jì)算結(jié)構(gòu)的彎曲損失，將彎曲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有等效折射率剖面的結(jié)構(gòu)，其公式定義為

其中R為彎曲半徑;x為光纖彎曲方向;n(x，y)為等效結(jié)構(gòu)下的折射率分布.

光纖彎曲時(shí)所造成的模式損耗可以用以下公式來(lái)計(jì)算[26]:

其中β為傳播常數(shù);k0為自由空間波數(shù);Im(β)和Im(neff)分別為傳播常數(shù)和有效折射率的虛部.λ為波長(zhǎng)，本文設(shè)λ為980 nm[27，28].通過(guò)COMSOL模擬仿真得出光纖沿不同方向彎曲時(shí)的模場(chǎng)分布和傳輸損耗如圖4 和圖5 所示.

圖4 光纖x 軸和y 軸方向彎曲時(shí)的模場(chǎng)分布圖 (a) 光纖沿x 軸方向彎曲模場(chǎng)分布圖;(b) 光纖沿y 軸方向彎曲模場(chǎng)分布圖Fig.4.Mode field distribution of optical fiber bending along x- and y- axis:(a) The distribution of bending mode field of optical fiber along the x-axis;(b) the distribution of bending mode field of optical fiber along the y-axis.

圖5 光纖沿x 軸和y 軸方向彎曲損耗圖 (a) 光纖沿x 軸方向彎曲損耗圖;(b) 光纖沿y 軸方向彎曲損耗圖Fig.5.Bending loss diagram of optical fiber along x-and yaxis:(a) Fiber bending loss along the x-axis;(b) fiber bending loss along the y-axis.

空芯反諧振光纖的波導(dǎo)色散與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，改變光纖的結(jié)構(gòu)可以得出不同的波導(dǎo)色散，波導(dǎo)色散的公式可以表示為[29]

其中neff為有效折射率;λ為傳播波長(zhǎng).通過(guò)COMSOL軟件來(lái)模擬仿真得到的光纖有效折射率以及由公式計(jì)算得出光纖的色散如圖6 和圖7 所示.

圖6 光纖有效折射率Fig.6.Effective refractive index of optical fiber.

圖7 光纖色散圖Fig.7.Dispersion diagram of optical fiber.

根據(jù)需求，結(jié)合光纖拉制工藝，將符合參數(shù)的薄壁石英玻璃管用堆積方法制備成空芯反諧振光纖預(yù)制棒，然后將預(yù)制棒置于實(shí)驗(yàn)室特種光纖拉絲塔上，通過(guò)控制爐溫及光纖拉絲參數(shù)，拉制出所需的空芯反諧振光纖，光纖端面結(jié)構(gòu)如圖8 所示，其具體參數(shù)如表1 所列，該光纖為六孔空芯反諧振光纖，纖芯直徑D為30 μm，包層壁厚t為500 nm，包層圓心距Λ為21.4 μm.根據(jù)壁厚，利用公式(1)式，計(jì)算得出該光纖的反諧振窗口分別在1024 (m=1)，582 (m=2)，395 (m=3)和296 nm (m=4).

表1 空芯反諧振光纖直徑，包層壁厚、包層圓心距和反諧振窗口參數(shù)Table 1.Hollow core anti-resonant fiber diameter，cladding wall thickness，cladding center distance and anti-resonance window parameters.

圖8 空芯反諧振光纖SEM 端面圖Fig.8.SEM cross-section of the hollow core anti-resonance fiber.

4 空芯反諧振光纖性能分析

為了研究該空芯反諧振光纖的光學(xué)性能，以NKT超連續(xù)譜(400—2400 nm，Superk compact，NKT)作為光源，海洋光學(xué)MAYA 光譜儀(200—1100 nm)作為接收端測(cè)試空芯反諧振光纖的傳輸譜.

圖9 為空芯反諧振光纖在可見(jiàn)及近紅外波段(400—1100 nm)的傳輸譜，插圖分別為其導(dǎo)光圖，從圖可以看出，光纖在可見(jiàn)及近紅外波段存在7 個(gè)導(dǎo)帶，其中1064 nm 為光源泵浦光，其余6 個(gè)的導(dǎo)帶中心波長(zhǎng)分別位于488，582，758，866，919 和982 nm，其中982 nm 波長(zhǎng)處導(dǎo)帶半高寬較寬，582 nm 波長(zhǎng)處的導(dǎo)帶半高寬較窄，其黃色的導(dǎo)光插圖與中心波長(zhǎng)582 nm 的導(dǎo)光帶相吻合.由圖9可看出，光纖傳輸?shù)姆逯荡篌w與設(shè)計(jì)相符合，但也出現(xiàn)了一些雜峰，其原因是光纖實(shí)際拉制而成的結(jié)構(gòu)與理論設(shè)計(jì)存在一定偏差，如管壁厚以及纖芯直徑等，從而實(shí)際光纖傳輸?shù)姆逯蹬c理論間產(chǎn)生不同，屬于工藝制造問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化拉制工藝能夠進(jìn)一步修正光纖結(jié)構(gòu)的誤差.

圖9 空芯反諧振光纖傳輸譜圖Fig.9.Transmission spectrum of hollow core anti-resonance fiber.

采用截?cái)喾y(cè)量該空芯反諧振光纖的損耗如圖10 所示，從圖中可以看出，其損耗最低點(diǎn)和傳輸譜峰值基本吻合.該光纖在982 nm 波段的損耗為0.32 dB/m，損耗比較大，其主要原因是該光纖包層采用單包層石英環(huán)，從而增加了光纖損耗.從損耗上來(lái)說(shuō)，該光纖損耗相對(duì)比較大，并不能在通信上得到應(yīng)用，但作為光學(xué)器件的研究，該光纖可以實(shí)現(xiàn)高能激光的短距離傳輸，如980 nm 高功率激光傳輸.

圖10 空芯反諧振光纖的傳輸損耗圖Fig.10.Transmission loss diagram of hollow core anti-resonance fiber.

為了驗(yàn)證空芯反諧振光纖的模式轉(zhuǎn)換能力，搭建了如圖11 所示的模式轉(zhuǎn)化裝置，所用激光器(MXLS-976-50-2-N-D，MAX)為最大輸出功率為50 W 的980 nm 多模光纖激光器，其輸出纖芯直徑為200 μm，980 nm 激光采用準(zhǔn)直輸出.利用Thorlabs 光束質(zhì)量分析儀記錄了空芯反諧振光纖模式等性能參數(shù).實(shí)驗(yàn)中所用光纖長(zhǎng)度為3 m.為了提高耦合效率，將50/125 多模光纖拉錐制備成一根錐形光纖，通過(guò)使用Fujikura LZM-100 光纖熔接機(jī)將一根50/125 的多模光纖進(jìn)行拉錐操作，將多模光纖中的一段芯徑拉制成30 μm，使其與光纖的纖芯直徑大小基本一致，然后用光纖切割機(jī)在多模光纖的拉錐線段進(jìn)行切割得到一段多模錐形光纖，再使用熔接機(jī)將這段錐形多模光纖與空芯反諧振光纖進(jìn)行熔接.圖12 展示了空芯反諧振光纖多模與單模轉(zhuǎn)化效率圖及980 nm 單模激光模式，其中圖12(a)為光纖多模轉(zhuǎn)單模效率圖，圖12(b)和圖12(c)為多模光纖激光器二維和三維模式圖，圖12(d)和圖12(e)為空芯反諧振光纖980 nm 單模激光二維和三維模式圖.從圖12(b)和圖12(c)可以看出，多模激光經(jīng)過(guò)錐形光纖依然保持著多模特性，而從圖12(d)和圖12(e)中可以看出，經(jīng)過(guò)3 m 長(zhǎng)的空芯反諧振光纖后，其模式呈現(xiàn)單模狀態(tài).從圖12(a)中可以看出，經(jīng)過(guò)空芯反諧振光纖可以實(shí)現(xiàn)從多模激光到單模激光，其轉(zhuǎn)換效率約47.5 %，目前由于實(shí)驗(yàn)條件限制獲得單模激光輸出功率為7.643 mW.

圖11 980 nm 多模光纖激光器轉(zhuǎn)單模激光裝置示意圖Fig.11.Schematic diagram of 980 nm multi-mode fiber laser to single-mode laser device.

圖12 空芯反諧振光纖多模與單模轉(zhuǎn)化效率圖及980 nm 單模激光模式 (a) 光纖多模轉(zhuǎn)單模效率圖;(b)，(c) 經(jīng)錐形光纖模式多模激光模式圖;(d)，(e) 經(jīng)空芯反諧振光纖激光模式圖Fig.12.Multi-mode and single-mode conversion efficiency of hollow core anti-resonance fiber:(a) Efficiency of fiber from multimode to single-mode;(b)，(c) multi-mode laser modes after tapered fiber mode;(d)，(e) laser patterns of hollow core anti-resonant fiber.

為了衡量光纖輸出光束的質(zhì)量我們可以通過(guò)計(jì)算M2因子來(lái)進(jìn)行判斷，計(jì)算方法選擇光束質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的兩點(diǎn)法來(lái)測(cè)M2因子[30].首先用透鏡將激光束進(jìn)行聚焦，然后距離透鏡主平面為f處測(cè)量光斑半徑ωf，可得出激光束的θ=ωf/f，然后測(cè)量光束聚焦到最小時(shí)的光斑半徑ω0和此處距離透鏡主平面的距離s，可得出激光束的腰斑半徑ω=ω0f/(s—f)，M2因子的公式表示為

對(duì)于基模高斯光束的腰斑半徑與發(fā)散角的乘積可以表示為

為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，分別測(cè)量未經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)墓馐|(zhì)量參數(shù)和經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為3 m 的反諧振光纖傳輸后的光束質(zhì)量參數(shù)，測(cè)試多組數(shù)據(jù)減少誤差，測(cè)量的數(shù)據(jù)如表2 和表3 所列.將上述表中測(cè)得的數(shù)據(jù)帶入公式進(jìn)行計(jì)算，得到未經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)墓馐|(zhì)量因子在3.4 左右，而經(jīng)過(guò)光纖傳輸后的光束質(zhì)量因子在1.41 左右，可以看出光束質(zhì)量得到提高，反諧振光纖起到了多模轉(zhuǎn)化為單模的作用.

表2 未經(jīng)過(guò)光纖傳輸后的光束質(zhì)量測(cè)量參數(shù)Table 2.Measurement parameters of beam quality without optical fiber transmission.

表3 經(jīng)過(guò)光纖傳輸后的光束質(zhì)量測(cè)量參數(shù)Table 3.Measurement parameters of beam quality through by optical fiber transmission.

5 總結(jié)

本文利用堆積法制備了適用于980 nm 傳輸?shù)目招痉粗C振光纖，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，研究了在模式轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用.該空芯反諧振光纖壁厚控制在納米量級(jí)，在可見(jiàn)及近紅外波段實(shí)現(xiàn)了很好的導(dǎo)光特性，為空芯反諧振光纖導(dǎo)光及高功率激光傳輸?shù)确矫鎽?yīng)用奠定基礎(chǔ).實(shí)驗(yàn)表明，制備的空芯反諧振光纖可有效地將980 nm 多模激光轉(zhuǎn)化成單模激光，由于空芯反諧振光纖既可以做到大纖芯又可以保持單模特性，這為高功率980 nm 單模光纖激光器的實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟了一個(gè)新的途徑.