發(fā)布時(shí)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(tǒng)產(chǎn)生的放大自發(fā)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(fā)輻射的有效方法。文章對(duì)摻鐿雙包層光纖放大器的脈沖泵浦特性進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種由信號(hào)源、隔離器、放大級(jí)和濾波器組成的實(shí)驗(yàn)光路。
摘要：脈沖光纖激光器系統(tǒng)產(chǎn)生的放大自發(fā)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(fā)輻射的有效方法。文章對(duì)摻鐿雙包層光纖放大器的脈沖泵浦特性進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種由信號(hào)源、隔離器、放大級(jí)和濾波器組成的實(shí)驗(yàn)光路。對(duì)于脈沖泵浦，放大器設(shè)計(jì)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(guān)系，所得結(jié)論對(duì)脈沖泵浦光纖放大器的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：光纖激光器;脈沖泵浦;放大自發(fā)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(zhì)的激光器，泵浦光被限制在波導(dǎo)光纖中，用來泵浦抽運(yùn)纖芯中的摻雜陽(yáng)離子，摻雜陽(yáng)離子因?yàn)槭芗ぼS遷形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)信號(hào)光經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生受激輻射，因此信號(hào)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(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)和軍事領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[5-7]。然而，脈沖間放大自發(fā)輻射(AmplifiedSpontaneousE-mission，ASE)是光纖激光器存在的一個(gè)問題，因其消耗了上層能級(jí)粒子數(shù)，導(dǎo)致最終輸出激光的效率較低，并且導(dǎo)致激光腔中的部件發(fā)熱，進(jìn)而影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成了自激，最終導(dǎo)致激光器輸出不穩(wěn)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(xù)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(bào)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(gè)級(jí)聯(lián)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(chuàng)刊于1975年，是國(guó)家光纖通信技術(shù)工程研究中心、光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——武漢郵電科學(xué)研究院主辦的光通信方面的專業(yè)刊物，本刊主要刊載光通信領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文、研究成果的技術(shù)報(bào)告、工程設(shè)計(jì)方案、施工及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，綜述國(guó)內(nèi)外光纖通信先進(jìn)技術(shù)和有關(guān)理論及最新動(dòng)態(tài)等。可供從事光纖通信工作以及相關(guān)學(xué)科的科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、維護(hù)等方面的科技人員和大專院校師生參考。
許多文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了脈沖光纖激光器的連續(xù)泵浦特性，但對(duì)脈沖泵浦特性的研究較少。本文對(duì)脈沖光纖激光器進(jìn)行了脈沖泵浦特性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。研究表明，對(duì)于脈沖泵浦，放大器設(shè)計(jì)中最重要的影響因素是泵浦功率和泵浦脈寬。在此基礎(chǔ)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(dòng)態(tài)變化，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jí)脈沖激光輸出因其在軍事、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而成為一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。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(xù)工作的泵浦方式來進(jìn)行信號(hào)光的放大。然而對(duì)于某些領(lǐng)域的應(yīng)用，如測(cè)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(yīng)用中也是不被允許的。連續(xù)泵浦條件不適合低重頻，因?yàn)榈椭仡l脈沖間的持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)，泵浦光會(huì)引起很強(qiáng)的ASE甚至是雜散激光，這將消耗大量的上層能級(jí)粒子數(shù)并減小有源光纖中存儲(chǔ)的能量。而作為光纖激光器中一種主要的影響因子，ASE應(yīng)盡可能在光纖激光器中得到抑制。對(duì)于具有主振蕩器功率放大(MasterOscillatorPower-Amplifier，MOPA)結(jié)構(gòu)的光纖放大器，在放大光路前一級(jí)中產(chǎn)生的ASE也會(huì)在放大光路的下一級(jí)中被放大，因此，如果放大光路前一級(jí)中的ASE沒有被很好地抑制，就會(huì)導(dǎo)致最終放大輸出端的ASE變得很高[11]。可見，連續(xù)泵浦光對(duì)于低重頻信號(hào)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(duì)低重頻信號(hào)光進(jìn)行放大的問題。讓泵浦光抽運(yùn)與信號(hào)光的輸入在時(shí)序上有一定的相關(guān)性，泵浦光抽運(yùn)只在信號(hào)出現(xiàn)前的很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)有泵浦光時(shí)，上層能級(jí)粒子數(shù)被聚集到很高的水平，其隨著輸入的信號(hào)光被受激放大而被快速消耗，信號(hào)光的峰值功率將會(huì)得到顯著提高。同時(shí)，因?yàn)樵诿}沖模式下，泵浦光在脈沖之間會(huì)被關(guān)閉，自發(fā)輻射只在非常短的一段時(shí)間內(nèi)得到放大，由于信號(hào)光的存在同時(shí)會(huì)消耗上層能級(jí)粒子數(shù)，因此避免了很強(qiáng)的ASE。
在脈沖光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究中，泵浦功率、泵浦脈沖寬度與信號(hào)在時(shí)序上的關(guān)聯(lián)性等參數(shù)是影響信號(hào)增益、ASE大小和泵浦能量利用率的關(guān)鍵因素。本文將從實(shí)驗(yàn)研究的角度分析泵浦功率和泵浦脈寬對(duì)ASE功率及輸出脈沖能量的影響。
2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)使用的種子光激光器是頻率為0.01～1.00MHz的可調(diào)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(diào)制器(Acousto-opti-calModulators，AOM)來降低重頻。設(shè)置種子光脈沖的頻率為10kHz，脈寬為100ns;設(shè)置聲光脈沖的頻率為80Hz，脈寬為100μs。為了使種子光脈沖出現(xiàn)在聲光脈沖中部的合適位置，聲光開啟時(shí)間是以探測(cè)到種子光脈沖的下降沿延時(shí)50μs為開啟時(shí)間點(diǎn)，這樣可以保證聲光脈沖處于高電平狀態(tài)時(shí)恰好包含一個(gè)種子光的脈沖周期，即聲光脈沖的一個(gè)周期內(nèi)包含一個(gè)種子光的脈沖信號(hào)，如圖1所示。但是在實(shí)際程序運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)機(jī)器誤差，導(dǎo)致種子光信號(hào)并不是任何時(shí)刻都在聲光脈沖信號(hào)的中間位置，為此設(shè)置自動(dòng)檢測(cè)機(jī)制，若檢測(cè)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(dòng)檢測(cè)機(jī)制會(huì)將異常反饋給芯片，芯片會(huì)做出調(diào)整以使種子光脈沖恢復(fù)到聲光脈沖中間位置，避免機(jī)器誤差越來越大。
在設(shè)置好聲光脈沖時(shí)序的基礎(chǔ)上，設(shè)置泵浦脈沖時(shí)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(yīng)閾值的影響，泵浦脈寬設(shè)定值與實(shí)際值存在些許誤差，為保證信號(hào)光到來時(shí)泵浦還處于抽運(yùn)狀態(tài)，需在泵浦抽運(yùn)期間檢測(cè)到信號(hào)光時(shí)延長(zhǎng)一定時(shí)間后關(guān)閉泵浦，使得上層能級(jí)粒子數(shù)一直處于較高水平。此時(shí)設(shè)置好泵浦低電平時(shí)間，一個(gè)周期內(nèi)的高電平時(shí)間與之相對(duì)應(yīng)。設(shè)置完成后的效果是：泵浦會(huì)在信號(hào)光脈沖到來前開啟，在檢測(cè)到該脈沖到來后延時(shí)100μs關(guān)閉泵浦，脈沖信號(hào)圖如圖1所示。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
YDFA模型如圖2所示。放大級(jí)中增益光纖為摻鐿雙包層光纖，泵浦源為多模泵浦。信號(hào)源是經(jīng)過AOM選取后的脈寬為30ns、重頻為80Hz、波長(zhǎng)為1064nm的脈沖激光源。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)長(zhǎng)的增加而增加，如圖3所示。但由于YDFA中所存儲(chǔ)的能量會(huì)達(dá)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(dá)到最大脈沖能量所需時(shí)間隨著泵浦功率的增加而迅速減小。對(duì)于相同摻雜濃度的雙包層有源光纖，光纖中的摻雜陽(yáng)離子吸收泵浦抽運(yùn)光的速度是會(huì)達(dá)到飽和的，上層能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)存儲(chǔ)的能量不會(huì)一直增加，最終會(huì)飽和，所以泵浦能量過多會(huì)形成較高的ASE。如圖4所示，在較長(zhǎng)的泵浦時(shí)間下，泵浦功率越高，ASE功率增加越迅速，這會(huì)影響泵浦效率，進(jìn)而會(huì)影響放大所需的上層能級(jí)粒子數(shù)，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(duì)輸出能量的影響，對(duì)不同脈沖能量的種子光進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(shè)計(jì)的目標(biāo)，由本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，其與泵浦功率和泵浦持續(xù)時(shí)間都有直接關(guān)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(huì)導(dǎo)致ASE顯著增加，當(dāng)脈沖能量增益趨近飽和時(shí)，繼續(xù)增加泵浦功率會(huì)使ASE占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)光纖激光器中可能會(huì)出現(xiàn)自激現(xiàn)象，對(duì)光纖激光器的穩(wěn)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(guān)注點(diǎn)，所以本文不考慮非線性效應(yīng)，如受激布里淵散射、受激拉曼散射和自相位調(diào)制等。非線性效應(yīng)肯定會(huì)影響YDFA的性能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，特別是當(dāng)峰值功率或脈沖能量較高時(shí)，然而，其并不影響泵浦脈寬、脈沖能量和ASE之間的關(guān)系。對(duì)于YDFA的整體設(shè)計(jì)，則可能需要考慮非線性效應(yīng)。
5結(jié)束語
脈沖泵浦具有減小ASE光的性能，且由于其平均功率遠(yuǎn)低于連續(xù)泵浦時(shí)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(duì)于脈沖泵浦的設(shè)計(jì)，泵浦功率和泵浦脈寬是主要影響因子，研究結(jié)果對(duì)脈沖泵浦高功率YDFA的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。
