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随着半导体激光器的发展,光纤激光器的能量逐渐变高时,传统的通信光纤制备方法和结构已经不能满足高亮度(高光束质量和高功率)光纤激光器对光纤的要求,这就要求研究出新型结构的光纤以及新的光纤制备工艺。目前,光纤激光器输出功率的提高主要受限于两个方面:(1)光纤端面的激光损伤,(2)光纤中的非线性效应。为了实现高光束质量的激光输出,并且尽可能克服端面激光损伤和非线性效应这两个因素对功率提高带来的限制,在设计和选用光纤时应尽量减小掺杂纤芯数值孔径(NA),并相应地增大纤芯直径,从而使得基横模LP01的模场直径变大。这种通过降低NA实现大纤芯直径光纤的技术被称为大模场面积光纤(LMAF)技术。近年出现的光子晶体光纤[1-2] (Photonic Crystal Fiber,PCF,又称微结构光纤),由于光纤截面有周期性的折射率分布,并且具有结构灵活性和折射率可调节性,目前被认为是实现大模场单模光纤最有效的方法,这种光纤也是激光光纤研究中最活跃的领域[3-6]。对于高峰值功率和高能量脉冲激光,采用PCF结构可以将纤芯做得很大,模场面积相应变大,更加适合高功率密度的脉冲激光。在这类光纤的研究方面,德国Jena大学、NKT公司等已推出了几种类型的空气孔光子晶体光纤产品。国内在有源光子晶体光纤制备方面的研究较少,主要是以华中科技大学、武汉烽火 通信科技股份有限公司以及中国科学院上海光学精密机械研究所等单位先后开展了掺镱大模场光子晶体光纤的研制工作,并应用于纳秒和皮秒的脉冲放大器中。然而,该种光纤由于存在大量的空气孔结构,使其在实际应用中面临切割、研磨困难以及无法全光纤化等不利情况,严重制约了大模场光纤晶体光纤的应用拓展。在实际应用时,必须采用特殊工艺对PCF端面进行处理,诸如熔接端帽,一方面来改善高功率条件下端面由于温度上升所引起的污染和端面损伤;另一方面提高PCF端面的抗损伤阈值,也为PCF全光纤应用打下基础。PCF端面处理的关键技术是高温塌缩,其方法主要是基于光纤熔融拉锥的方法实现光纤的空气孔塌缩[7-11],由于PCF结构的特殊性,处理工艺难度大,花费高,国际上只有NKT等少数几家公司可以高质量地完成。国内在PCF端面处理方面与国际先进水平还有较大差距,目前仅有国防科技大学等单位有报道[12-13],其采用氢氧焰加热光纤实现了理想的塌缩。
文中基于自研的掺镱空气孔大模场PCF,采用以往电弧、火焰不同的研究方法,即采用
$ {{\rm{C}}{\rm{O}}}_{2} $ 激光对大模场光子晶体光纤进行塌缩处理,采用该方法的优越性在于:(1)石英光纤在10.6 μm处具有很高的吸收系数;(2)激光与PCF的相互作用与电弧熔接不同,不会在熔接处产生溅射碎片和残余污染;(3)比较容易控制激光的形状和能量。通过该方法实现了对大模场PCF的端面塌缩处理,进一步对塌缩区进光子晶体行切割,获得了端面平整的PCF端面,对比了端面处理前后的光纤的耦合特性及模式传输特性。