棒状光子晶体光纤种子光透镜耦合分析

李天琦,房巨强,雷 健,李 宝,毛小洁,秘国江,姜东升

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

使用棒状光子晶体光纤(ROD-PCF)放大是一种新兴的超短脉冲放大方式。利用这种光纤可以很容易地得到大模场直径、高光束质量、大平均功率的超短脉冲激光[1]。为了使种子光的功率在棒状光子晶体光纤中得到充分的放大,并且光束质量的损失要最小,种子光与棒状光子晶体光纤之间的耦合就显得尤为重要。

种子光耦合进入棒状光子晶体光纤的方式通常为透镜耦合,这种耦合方式对透镜的位置、焦距等要求非常苛刻,需要经过较为复杂的计算与仿真才能获得合适的透镜焦距。透镜耦合系统在调整的时候具有一定的难度,需要对单个透镜的多个维度进行调整,以及对多个透镜进行配合调整[2]才能达到最好的效果。种子光的光束质量经过多个光学系统后可能会出现恶化,应当尽可能减少种子光通过的光学系统,因此选择单透镜耦合作为种子光耦合进入棒状光子晶体光纤的耦合方式。

种子源产生的光束可以近似为高斯光束,高斯光束到光纤耦合的基本原理就是高斯光束模场与光纤模场的模式匹配[3-4],本文仿真计算了在单透镜耦合情况下耦合效率与透镜位置和焦距的关系。利用λ=1030 nm的SESAM锁模固体激光器作为种子源(M2≤1.2),对芯径D=85 μm(模场直径为DMF=65 μm)的棒状光子晶体光纤进行了耦合实验。

2 理论分析

单透镜耦合系统的原理图如图1所示。

图1 单透镜耦合原理图

理论推导中的光束为理想基模高斯光束,光学系统中的透镜为理想透镜。L是入射光束束腰与光纤端面之间的距离,l1为入射光束束腰与透镜的距离,l为透镜与光纤端面之间的距离,ω0为入射光束腰半径,ω为光纤端面上的光斑半径。由已知可以得到:

L=l1+l

(1)

设透镜焦距为F则该系统的传播矩阵为:

(2)

由已知入射光束的共焦参数为:

(3)

则入射光束束腰处的q参数为:

qin=jf

(4)

通过该系统变换后透镜平面上的q参数为:

(5)

则输出光束束腰与聚焦镜的距离为:

l2=-Reqout

(6)

输出光束的共焦参数为:

f1=Imqout

(7)

输出光束的束腰半径为:

(8)

输出光束在光纤端面上的q参数为:

q=jf1+l-l2

(9)

输出光束在光纤端面上的光斑半径为:

(10)

对于经过系统变换后的基模高斯光束,其在光纤端面上的模场分布可以表示为[5]:

(11)

其中,U0为模场振幅,波数k为:

k=2π/λ

(12)

对于光子晶体光纤,其端面模场分布为可以近似为高斯分布[6-7]:

(13)

其中,UROD-PCF0与DMF分别为ROD-PCF的模场振幅和模场直径。则理想的耦合效率为[7]:

(14)

3 仿真与分析

结合式(1)～(14)分别计算出当透镜焦距、入射光束束腰与光纤端面的距离一定时耦合效率随透镜位置的变化关系以及当透镜与光纤端面的距离、入射光束束腰与光纤端面的距离一定时耦合效率随透镜焦距的变化关系。对于光纤端面当光束入射并且通过光纤传导输出时,光纤的前后两个端面会产生菲涅尔反射损耗。一般来说单独一个端面的菲涅尔反射损耗约为3.5%～4%,光纤的前后两个端面总的菲涅尔反射损耗约为8%左右[6]。当忽略高斯光束与光纤耦合的失准损耗时,前两种情况下的耦合效率如图2与图3所示。模拟计算所用的参数为:光纤棒的模场直径DMF=65 μm,所用光束的波长λ=1030 nm,束腰半径ω0=0.4 mm,光束质量M2=1,入射光束束腰与光束端面之间的距离L=885 mm,第一种情况所用的透镜焦距F=103.26 mm,第二种情况透镜与光纤端面的距离l=120 mm。

图2 耦合效率与透镜位置的关系

图3 耦合效率与透镜焦距的关系(l1与l为定值)

从图2可以看出,当入射光束束腰与光纤端面的距离光纤端面以及透镜的焦距一定时,耦合效率随着透镜与光纤端面的距离增大而先增大后减小。从图3可以看出,当入射光束束腰与光纤端面的距离以及透镜与光纤端面距离一定时,耦合效率随着透镜焦距增大而先增大后减小。两种情况下最大耦合效率均可达到80%以上。

从图2中可以看到,当透镜焦距为103.26 mm且与端面的距离在90～150 mm之间时耦合效率会急剧地变化。从图3中可以看到,当透镜固定在距离端面120 mm处时,透镜的焦距在80～140 mm之间时耦合效率会急剧地变化,。

实验中可能还会遇到横向对准误差所带来的横向偏移损耗,以及角度误差所带来的角度偏移损耗,这两种损耗也会在一定程度上造成耦合效率的下降,具体的影响情况在所引文献[6]有很详细的解释。因此在实际实验中,要求耦合透镜的调整架有非常高的调节精度。

4 实 验

4.1 实验方案

实验所种子源为输出波长λ=1030 nm、光束质量M2≤1.2的SESAM锁模固体激光器,所用光纤棒为NKT公司生产的aeroGAIN-ROD-PM85,纤芯直径为D=85 μm、模场直径DMF=65 μm、纤芯数值孔径NA=0.015,为了避免较高的菲涅尔反射损耗,光纤两端面均镀有增透膜。在光学实验台上分别搭建两种实验光路,所使用的透镜焦距均为F=103.26 mm,M1-M4为45°全反射镜。实验光路图如图4所示。

图4 单透镜耦合实验光路简图

单透镜耦合的情况下,种子源产生的光束经过两次反射通过隔离器,再经过一次反射并由透镜耦合进入光纤棒。由于光纤棒对于各种对准误差特别敏感,因此,透镜的镜架必须可以调节镜子的前后、左右、上下、俯仰、左右倾斜五个维度并且精度很高。

单透镜情况下的调整过程是:首先调节M2与M3使光束基本水平,并且左右偏差较小,光斑高度与光纤架的高度基本一致；然后在光路中加入光纤棒,使光纤棒的前端与光斑的中心对准,并调节光纤棒的后端,用荧光片反复观察,直到通过光纤棒的光强度最大为止；接着在光纤棒的后端加入CCD和一个透镜,并调节CCD与透镜的位置,使得CCD上可以看到光斑的全貌为止；最后将透镜的放到模拟计算所得到的最佳位置附近,调整透镜使得CCD上的光斑为一个接近圆形或圆形的光斑,并且周围的杂散光亮度最低为止。

测量功率时光路图如图5所示。

图5 功率测量光路简图

在测量功率之前在功率计的前面加入一个小孔以阻挡纤芯光以外的杂光,只让纤芯光进入功率计。之后对输入和输出光进行多组测量并计算耦合效率。

4.2 实验结果与分析

在单透镜耦合下分别测量了三组不同输入功率情况下输出功率与耦合效率的情况，如表1～3所示。

根据三组数据可以看出,单透镜情况下耦合效率基本稳定在35%～42%,比仿真得到的80%小了将近一半,导致这种情况的主要原因可能有以下几点:

表1 输入功率、输出功率与耦合效率(组1)

表2 输入功率、输出功率与耦合效率(组2)

表3 输入功率、输出功率与耦合效率(组3)

①种子源的光束质量是M2≤1.2并不是仿真中所用的理想状态下的基膜高斯光束,这导致了耦合效率的降低。

②种子源输出的光束在光路中经过三次反射和一个透镜,可能造成质量的进一步恶化,这也可能使耦合效率降低。

③耦合透镜调整的精度不高造成了各种对准误差的出现,由于光纤对各种对准误差十分敏感,因此造成了耦合效率的降低。

④由于棒状光子晶体光纤为增益光纤,光纤中掺杂有Yb3+离子,而光纤中的Yb3+离子对1030 nm的波段有一定的吸收作用,这种吸收在测定过程中是无法避免的,因此导致测得耦合效率偏低。

经过上述耦合实验可以得知:要想得到良好的耦合结果种子源的光束质量必须很高圆度必须要好,只有这样才可以和光纤的模场形成良好的匹配。并且,所经过的光学系统要尽量的少,以避免光束质量逐渐恶化。

5 结 论

本文通过仿真分析了在单透镜耦合系统下,当光纤和种子源位置固定透镜位置与耦合效率的关系,以及当种子源、光纤和透镜位置均固定时耦合效率与透镜焦距的关系。并且对单透镜耦合情况进行了实验测定,实验中通过调整可以发现透镜的最佳位置与仿真结果相符,但是测量得到的耦合效率由于各种原因低于仿真结果。通过仿真分析与实验测定的结果,得到了后续放大实验的改进方案,对后续实验的进行起到了关键性的作用。

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