双包层光纤光栅的研制.pdf

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1、双包层光纤光栅的研制杨江，2013/7/191引言双包层光纤光栅是全光纤激光器的关键器件，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性制成的。所谓光纤的光敏性是指（特定波长的）强激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率随光强的空间分布发生相应变化的特性，由此可产生周期性的调制，并可被稳定的保存下来，这种现象也称为光致折射率变化效应。与其他器件相比，光纤光栅具有体积小、波长选择性好、频谱特性丰富、易于与光纤系统连接、损耗小、便于使用和维护等优点。双包层光纤自从1988年由Sintzer等提出以来，由于其出色的传输光的能力和包层

2、抽运技术的应用，在高功率光纤激光器方面表现出极大的优势。双包层光纤由于具有较大的芯径，可以有效降低传输高功率激光在纤芯中引起的非线性效应，成为了高功率光纤激光器发展的重要途径之一。在双包层光纤上刻写光栅，则可以避免光纤激光器的端面熔接耦合，大大降低插入损耗，并易于与其他光纤器件连接。光纤光栅作为一种低损耗器件，具有非常好的波长选择特性，采用光纤光栅做谐振腔大大简化了激光器的结构同时提高了激光器的信噪比和可靠性，有利于获得窄线宽、高光束质量的光纤激光器。2光纤光栅的基本理论光纤布拉格光栅（FiberBra

3、ggGrating，FBG）是折射率沿轴向变化的一段光纤，它具有选频特性，即反射符合Bragg条件的光，其反射率和线宽由光栅的周期、长度、折射率改变量及调制强度决定。它的反射率可高可低，最高可接近100%，其反射带宽（FullWidthatHalfMaximum，FWHM）的制造调节范围较大，目前的制造技术可实现0.02-40nm调节。FBG是具有滤波功能的全光纤器件，各种传播的波长通过光栅几乎都没有插入损耗，附加损耗也很小（约1dB以下），且通过的信号不变，只有那些满足Bragg条件的波长受到影响，进

4、行相关叠加并被强烈反射，该中心波长可在制作光纤光栅时根据需要确定。另外，光纤光栅还有体积小、部件微型化、与其他光纤器件的兼容性好、不受环境尘埃影响等优异性能。光纤光栅有着很好的频率选择特性，其反射率可达100%，反射带宽可小于0.05nm。基于光纤光栅的这种特性，将其直接刻写在双包层光纤的纤芯上构成光纤激光器谐振腔，实现高质量的激光输出。这种全光纤化的激光器结构更加简单紧凑，稳定性更高。2.1光纤光栅的基本特性窄线宽光纤光栅的制备一直以来是研究的热点，因为它不仅可以作为光纤通信系统当中理想的滤波器和反射

5、器，也可以作为双包层光纤激光器当中的核心器件。使用准分子激光器，研究人员已经获得了半高全宽仅为0.1nm的光纤光栅，但是其最高反射率仅为2%。后来，J.Albert等人使用高强度的准分子脉冲激光在磷酸盐玻璃当中刻写了中心波长反射率高达99%，半高全宽仅为0.14nm的光纤布拉格光栅。随着，飞秒激光的普及，人们利用飞秒激光和物质相互作用过程中多光子电离和雪崩电离等机制，能够在局部范围内引起10-5到10-2的折射率调制，甚至在非光敏性的玻璃当中也能达到这个高的折射率调制深度。使用飞秒激光刻写的光纤光栅，相

6、比于准分子激光刻写的光纤光栅，具有更好的高温稳定性。也有使用400nm的飞秒激光直接在掺镱的双包层光纤中刻写光栅的，其最高反射>-40dB。研究人员报道了在保偏光纤中刻写光纤布拉格光栅的研究进展。但是，如何获得更窄线宽的光纤光栅始终是个难题。后来发展起来的使用飞秒激光进行点对点的光栅刻写的方法，在制备窄线宽光纤光栅的时候，较之前几种方法有更好的表现。使用这种方法，已经成功地在掺镱双包层光纤当中刻写了线宽分别为54pm和100pm的光纤光栅。点对点的刻写方法有一个缺陷很难克服，就是空气轴承的微震动，这样会

7、导致取样光栅的形成，进而形成多峰的反射谱。2.2光纤光栅的工作原理周期为λ的光纤布拉格光栅，当入射光波长满足布拉格条件时，部分正向传输的光波被耦合成反向传输的光波，并沿原光路返回，在弱耦合条件下，光纤光栅的反射率可表示为22ksinhSLg22,k,2222sinhSLgScoshSLgR22ksinQLg22,k,222kcosQLg式中，Lg是光纤光栅的长度，k为耦合系数，1222Sk，1222Qk，2n

8、2n0B，λ为光波波长，λB为Bragg光栅的中心波长。光纤光栅的反射率与入射光波的波长有关，当光波波长偏离光纤光栅的中心波长时，反射率下降，偏离程度越大，反射率降低越严重。由两根中心波长相同的光纤Bragg光栅和一段增益光纤便构成高功率光纤激光器的谐振腔。FBG1为输入光栅，对泵浦光高透，对信号光高反。FBG2为输出光栅，对泵浦光的反射率为100%，对信号光实现部分耦合输出，以保证激光输出。泵浦光经FBG1进入光纤，