光纖激光器脈沖泵浦特性實驗研究

發布時間：2019-12-14所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：脈沖光纖激光器系統產生的放大自發輻射(ASE)是制約其峰值功率的重要因素，而脈沖泵浦是抑制脈沖光纖激光器脈沖自發輻射的有效方法。文章對摻鐿雙包層光纖放大器的脈沖泵浦特性進行了研究，設計了一種由信號源、隔離器、放大級和濾波器組成的實驗光路。

　　摘要：脈沖光纖激光器系統產生的放大自發輻射(ASE)是制約其峰值功率的重要因素，而脈沖泵浦是抑制脈沖光纖激光器脈沖自發輻射的有效方法。文章對摻鐿雙包層光纖放大器的脈沖泵浦特性進行了研究，設計了一種由信號源、隔離器、放大級和濾波器組成的實驗光路。對于脈沖泵浦，放大器設計中需要確定的最主要因素是泵浦功率和泵浦脈寬，文章研究了單脈沖能量、ASE功率與泵浦功率以及泵浦脈寬之間的關系，所得結論對脈沖泵浦光纖放大器的設計具有一定的參考價值。

　　關鍵詞：光纖激光器;脈沖泵浦;放大自發輻射功率

　　0引言

　　光纖激光器是一種采用摻雜光纖作為增益介質的激光器，泵浦光被限制在波導光纖中，用來泵浦抽運纖芯中的摻雜陽離子，摻雜陽離子因為受激躍遷形成粒子數反轉，當信號光經過時產生受激輻射，因此信號光在增益光纖中得到放大[1-4]。高功率摻鐿脈沖光纖激光器已被廣泛研究，且因其具有眾多優點而在工業和軍事領域中得到廣泛應用[5-7]。然而，脈沖間放大自發輻射(AmplifiedSpontaneousE-mission，ASE)是光纖激光器存在的一個問題，因其消耗了上層能級粒子數，導致最終輸出激光的效率較低，并且導致激光腔中的部件發熱，進而影響了系統的穩定性，造成了自激，最終導致激光器輸出不穩定，并且減小了從激光腔中可獲得的最大脈沖能量等[8]。采用脈沖泵浦代替連續泵浦來抑制ASE是研究人員廣泛采用的一種方法。例如，2009年黃繡江等人通過脈沖泵浦在100ns脈寬、100Hz重頻下抑制ASE，從摻鐿雙包層光纖放大器獲得了30dB增益[9];2014年報道了一種具有55mJ脈沖能量、脈寬為10ns以及脈沖重頻為10Hz的光纖激光器，該激光器由7個級聯放大光路組成，采用不同泵浦功率和泵浦脈寬的脈沖泵浦[10]。

　　期刊推薦：《光通信研究》(雙月刊)創刊于1975年，是國家光纖通信技術工程研究中心、光纖通信技術和網絡國家重點實驗室——武漢郵電科學研究院主辦的光通信方面的專業刊物，本刊主要刊載光通信領域的學術論文、研究成果的技術報告、工程設計方案、施工及維護經驗，綜述國內外光纖通信先進技術和有關理論及最新動態等�？晒�從事光纖通信工作以及相關學科的科研、設計、生產、施工、維護等方面的科技人員和大專院校師生參考。

　　許多文獻已經報道了脈沖光纖激光器的連續泵浦特性，但對脈沖泵浦特性的研究較少。本文對脈沖光纖激光器進行了脈沖泵浦特性相關的實驗研究。研究表明，對于脈沖泵浦，放大器設計中最重要的影響因素是泵浦功率和泵浦脈寬。在此基礎上，研究了摻鐿光纖放大器(Ytterbium-DopedFiberAmplifier，YDFA)在不同泵浦功率和泵浦脈寬下的ASE、脈沖能量和效率的動態變化，并給出了相應的實驗結果。

　　1脈沖泵浦基本原理

　　在之前的眾多研究中，高峰值功率納秒級脈沖激光輸出因其在軍事、醫療和工業等領域的廣泛應用而成為一個重要的研究熱點。一些光纖激光器在千赫茲到百千赫茲的高重頻下使用連續工作的泵浦方式來進行信號光的放大。然而對于某些領域的應用，如測距等，高重頻是沒有必要的。此外，高重頻意味著高泵浦能量的使用，這在軍事和便攜式應用中也是不被允許的。連續泵浦條件不適合低重頻，因為低重頻脈沖間的持續時間太長，泵浦光會引起很強的ASE甚至是雜散激光，這將消耗大量的上層能級粒子數并減小有源光纖中存儲的能量。而作為光纖激光器中一種主要的影響因子，ASE應盡可能在光纖激光器中得到抑制。對于具有主振蕩器功率放大(MasterOscillatorPower-Amplifier，MOPA)結構的光纖放大器，在放大光路前一級中產生的ASE也會在放大光路的下一級中被放大，因此，如果放大光路前一級中的ASE沒有被很好地抑制，就會導致最終放大輸出端的ASE變得很高[11]�？梢�，連續泵浦光對于低重頻信號的放大來說，并不是一種較為理想的泵浦方式。

　　可以采用脈沖泵浦的方法來解決對低重頻信號光進行放大的問題。讓泵浦光抽運與信號光的輸入在時序上有一定的相關性，泵浦光抽運只在信號出現前的很短時間內進行，當有泵浦光時，上層能級粒子數被聚集到很高的水平，其隨著輸入的信號光被受激放大而被快速消耗，信號光的峰值功率將會得到顯著提高。同時，因為在脈沖模式下，泵浦光在脈沖之間會被關閉，自發輻射只在非常短的一段時間內得到放大，由于信號光的存在同時會消耗上層能級粒子數，因此避免了很強的ASE。

　　在脈沖光纖激光器的實驗研究中，泵浦功率、泵浦脈沖寬度與信號在時序上的關聯性等參數是影響信號增益、ASE大小和泵浦能量利用率的關鍵因素。本文將從實驗研究的角度分析泵浦功率和泵浦脈寬對ASE功率及輸出脈沖能量的影響。

　　2實驗方案設計

　　實驗使用的種子光激光器是頻率為0.01～1.00MHz的可調激光器，為獲取重頻為百赫茲以下的種子光脈沖，需要利用聲光調制器(Acousto-opti-calModulators，AOM)來降低重頻。設置種子光脈沖的頻率為10kHz，脈寬為100ns;設置聲光脈沖的頻率為80Hz，脈寬為100μs。為了使種子光脈沖出現在聲光脈沖中部的合適位置，聲光開啟時間是以探測到種子光脈沖的下降沿延時50μs為開啟時間點，這樣可以保證聲光脈沖處于高電平狀態時恰好包含一個種子光的脈沖周期，即聲光脈沖的一個周期內包含一個種子光的脈沖信號，如圖1所示。但是在實際程序運行過程中會出現機器誤差，導致種子光信號并不是任何時刻都在聲光脈沖信號的中間位置，為此設置自動檢測機制，若檢測到種子光脈沖的下降沿不在聲光脈沖中間的50%位置，則自動檢測機制會將異常反饋給芯片，芯片會做出調整以使種子光脈沖恢復到聲光脈沖中間位置，避免機器誤差越來越大。

　　在設置好聲光脈沖時序的基礎上，設置泵浦脈沖時序，泵浦脈沖頻率與聲光脈沖頻率保持一致。在泵浦激光器開啟后，由于受到元器件響應閾值的影響，泵浦脈寬設定值與實際值存在些許誤差，為保證信號光到來時泵浦還處于抽運狀態，需在泵浦抽運期間檢測到信號光時延長一定時間后關閉泵浦，使得上層能級粒子數一直處于較高水平。此時設置好泵浦低電平時間，一個周期內的高電平時間與之相對應。設置完成后的效果是：泵浦會在信號光脈沖到來前開啟，在檢測到該脈沖到來后延時100μs關閉泵浦，脈沖信號圖如圖1所示。

　　3實驗結果

　　YDFA模型如圖2所示。放大級中增益光纖為摻鐿雙包層光纖，泵浦源為多模泵浦。信號源是經過AOM選取后的脈寬為30ns、重頻為80Hz、波長為1064nm的脈沖激光源。實驗結果表明，在不同泵浦功率水平下，輸出單脈沖能量隨著泵浦脈沖時長的增加而增加，如圖3所示。但由于YDFA中所存儲的能量會達到飽和，由提高的泵浦功率來增加最大可獲得的最大脈沖能量是不明顯的。

　　由圖3可知，達到最大脈沖能量所需時間隨著泵浦功率的增加而迅速減小。對于相同摻雜濃度的雙包層有源光纖，光纖中的摻雜陽離子吸收泵浦抽運光的速度是會達到飽和的，上層能級反轉粒子數存儲的能量不會一直增加，最終會飽和，所以泵浦能量過多會形成較高的ASE。如圖4所示，在較長的泵浦時間下，泵浦功率越高，ASE功率增加越迅速，這會影響泵浦效率，進而會影響放大所需的上層能級粒子數，從而影響放大器的增益。所以要想更有效地獲得更好的增益效果，需要選擇合適的泵浦脈寬與泵浦功率。

　　為了研究種子光脈沖能量對輸出能量的影響，對不同脈沖能量的種子光進行了實驗研究。在固定泵浦功率與泵浦脈寬的條件下，種子光脈沖能量由0.6μJ增加到1.0μJ;保持種子光脈寬不變，通過提高峰值泵浦功率來增加種子光能量，發現輸出脈沖能量基本沒有變化;保持峰值泵浦功率不變，通過增加種子光脈寬來增加種子光能量，發現輸出脈沖能量有所增加，如圖5所示。

　　4分析

　　更高的脈沖能量、更高的效率和更低的ASE是高功率YDFA設計的目標，由本文實驗結果可知，其與泵浦功率和泵浦持續時間都有直接關系。在保持泵浦脈寬不變的條件下增加泵浦功率可以提高脈沖能量，但是過高的泵浦功率會導致ASE顯著增加，當脈沖能量增益趨近飽和時，繼續增加泵浦功率會使ASE占據主導地位，此時光纖激光器中可能會出現自激現象，對光纖激光器的穩定性造成影響。在脈沖泵浦過程中，縮短泵浦脈寬可以在一定程度上減小ASE，但是需要更高的泵浦功率。

　　因ASE是本文的主要關注點，所以本文不考慮非線性效應，如受激布里淵散射、受激拉曼散射和自相位調制等。非線性效應肯定會影響YDFA的性能和實驗結果，特別是當峰值功率或脈沖能量較高時，然而，其并不影響泵浦脈寬、脈沖能量和ASE之間的關系。對于YDFA的整體設計，則可能需要考慮非線性效應。

　　5結束語

　　脈沖泵浦具有減小ASE光的性能，且由于其平均功率遠低于連續泵浦時的平均功率，能夠大大減少高功率YDFA在放大過程中的熱量。對于脈沖泵浦的設計，泵浦功率和泵浦脈寬是主要影響因子，研究結果對脈沖泵浦高功率YDFA的設計有一定的參考價值。