全光纖結(jié)構(gòu)脈沖光纖放大器

全光纖結(jié)構(gòu)脈沖光纖放大器引言脈沖光纖激光器是以光纖為增益介質(zhì)，將諧振腔內(nèi)的存儲能量在極短時間內(nèi)釋放輸出，使輸出激光的峰值功率比連續(xù)激光提高了幾個數(shù)量級，更能滿足實際應(yīng)用。隨著雙包層光纖和大功率半導(dǎo)體激光器（LD）的技術(shù)成熟，光纖激光器進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的階段，單纖連續(xù)激光輸出的功率已經(jīng)大于1000kW。同時脈沖光纖激光器的研究也獲得了飛速發(fā)展，一定重復(fù)頻率、高能量的脈沖光纖激光器已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點之一。大模場面積摻雜雙包層光纖中的高存儲能量，極大地提高了脈沖光纖激光器的輸出能量和峰值功率。在調(diào)Q技術(shù)的脈沖光纖激光器中，由于分立元器件的插入損耗較大，在雙包層光纖中僅實現(xiàn)了脈沖能量數(shù)mJ的激光輸出。主振蕩功率放大技術(shù)（MOPA）的脈沖光纖放大器，由于具有高斜率效率、易于獲得高脈沖能量和高峰值功率、輸出脈沖特性由種子光源決定等優(yōu)點，已經(jīng)成為高能量脈沖激光輸出的主要方式。F.D.Teodiro等人采用單級放大結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了重復(fù)頻率8KHz、峰值功率300kW的脈沖激光輸出。接著，結(jié)合摻鐿光子晶體光纖和多級脈沖放大技術(shù)，實現(xiàn)了峰值功率1.5兆瓦、近衍射極限（M2=1.05）的脈沖激光輸出。2005年，，密西根大學(xué)利用多級脈沖光纖放大技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了波長1064nm、單脈沖能量82町（500ns），峰值功率2.4兆瓦（4ns）的脈沖激光輸出。國內(nèi)，清華大學(xué)利用脈沖激光泵浦的光纖放大，實現(xiàn)了重復(fù)頻率200Hz、脈沖能量138J、峰值功率167kW的激光輸出。上海光機所也獲得了重復(fù)頻率100kHz、平均功率133W的脈沖放大激光輸出。短脈沖光纖激光器隨著輸出的脈沖激光功率越來越高，加上其獨特的光纖輸出、高光束質(zhì)量、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，它正廣泛運用于工業(yè)加工、醫(yī)療、激光雷達(dá)、太空通信等領(lǐng)域。僅2005年，工業(yè)用光纖激光器的銷售額增長了33％，其中75％用來取代固體激光器。在激光打標(biāo)的近15000個發(fā)貨量中，三分之一是光纖激光器，這一趨勢還將繼續(xù)高速發(fā)展。因此，短脈沖光纖激光器，在很多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)向傳統(tǒng)的固體激光激光器發(fā)起了挑戰(zhàn)，其需求和應(yīng)用前景也越來越大。由于當(dāng)前脈沖光纖激光器的研究多采用透鏡耦合結(jié)構(gòu)，其性能無法滿足實際應(yīng)用。因此，高可靠性的脈沖光纖激光器成為應(yīng)用研究的重點。本文結(jié)合時域有限差分法和龍格－庫塔方法，對脈沖光纖放大器進(jìn)行數(shù)值計算和優(yōu)化，并設(shè)計和實驗研究了全光纖結(jié)構(gòu)的脈沖光纖放大器。當(dāng)側(cè)面耦合的泵浦功率為3.5W時，獲得脈沖寬度18—300ns、重復(fù)頻率5—20KHz、脈沖峰值功率8.2kW、平均功率達(dá)1.8W、波長1070nm的激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)52.2％，并制作出一臺結(jié)構(gòu)緊湊的脈沖光纖激光器樣機。脈沖光纖放大器的理論研究在摻鐿雙包層光纖脈沖放大器中，考慮前向泵浦方式和泵浦損耗，光纖中粒子數(shù)密度的速率方程可以寫為：色響二普2上）皿⑺）-耳低）皿匕鈿和“-壘學(xué)

+署〔％仇）皿和）-巧（兔）也G）〕兄（J』）；些畀=FV血鴻知）號G）-祇kS）聖磐十巴警總=FgQ皿匕—仇加虬匕址和韻cfe C匚赴-迤》p3）Tpm3）?2加弘加護(hù)嘰匕。=嘰-％匕￡）其中，Nl（t,z）、N2（t,z）分別為光纖中z處t時刻的上、下能級離子數(shù)。Nt為摻鐿光纖中Yb3+的摻雜濃度，h為普朗克常數(shù)，c為真空中光速，dl、d2為纖芯和內(nèi)包層直徑，A為光纖纖芯的面積，T為Yb3+亞穩(wěn)態(tài)能級的壽命，入p和入s分別為泵浦光和信號光的波長，Pp和Ps是泵浦光功率和信號光功率，Oa和Oe分別為Yb3+吸收截面和發(fā)射截面，「p和「s為泵浦光和信號光的重疊因子，ap，as分別為光纖中泵浦光和信號光的損耗系數(shù)。表1收包層摻鎮(zhèn)光纖的主要薑數(shù)0.S4msNt6.0X10^m3aaE(1060nm)5.0Xlfr^mJ山10pm(lOSOnni)3.4Xlfr25m2d：125pm<ya(976nm)2.5X10-^mJrs0.82%(976nm)2.5Xlfr^mJrP0.010.06dB/mOp0.08dB.in結(jié)合有限時域差分法和四階龍格一庫塔方法，對方程式（1）-（4）進(jìn)行數(shù)值計算。其中，在光纖輸入端的初始值為：連續(xù)泵浦功率為4W、波長976nm，注入種子脈沖的形狀為高斯形、峰值功率100W、脈沖寬度25ns。雙包層摻鐿光纖的主要參數(shù)如表1所示。首先，數(shù)值計算了重復(fù)頻率5KHz、10KHz、20KHz時，放大脈沖激光的峰值功率隨摻鐿光纖長度的變化關(guān)系，如圖1所示。由圖可知，在不同重復(fù)頻率下，隨著光纖長度的增大，脈沖激光的功率都將被放大。隨著脈沖激光在光纖中不斷放大，輸出脈沖激光的峰值功率將趨于飽和。而且，重復(fù)頻率越低，飽和功率越高。由于摻鐿光纖的本底損耗存在，若繼續(xù)增加光纖的長度，輸出脈沖的峰值功率將略有減少。因此，脈沖光纖放大器的摻鐿光纖存在一個最佳的長度，在當(dāng)前條件下，最佳長度約為3.8m。

RepetitionFrequenc：y(KHe；i■RepetitionFrequenc：y(KHe；i■：—1OKHIp*FoS.l5「_xm-.--口S6+Z口圖2為放大脈沖激光的峰值功率隨重復(fù)頻率的變化關(guān)系。由圖可知，在較低重復(fù)頻率時，放大輸出的平均功率隨重復(fù)頻率的增加而迅速增大，當(dāng)達(dá)到一定值后，逐漸趨于飽和。在當(dāng)前條件下，重復(fù)頻率＞14KHz后，脈沖激光的平均功率達(dá)到飽和，約為3.2W。脈沖激光的峰值功率隨著重復(fù)頻率的增加而逐漸減少，約反比于脈沖重復(fù)頻率。而在低重復(fù)頻率（＜6KHz）時，由于兩脈沖的時間間隔較長，上能級離子數(shù)增多，放大自發(fā)輻射光（ASE）功率增強，甚至形成自生的激光振蕩，消耗了部分上能級離子數(shù)，并限制了脈沖激光峰值功率的增大。計算獲得的最高脈沖峰值功率為6KHz時的18.8kW，此時的平均功率僅為2.3W。計算得到放大前后脈沖激光的時域特性，如圖3所示。其中，黑色實線表示注入種子脈沖激光，形狀為高斯形，脈沖寬度為25ns。紅色虛線表示重復(fù)頻率20KHz時，放大脈沖激光的時域特性。其脈沖寬度約為24.3ns，相對種子脈沖激光的脈寬略有壓縮。放大脈沖的上升時間為8.0ns，比注入高斯脈沖的少9.8ns；放大脈沖的下降時間為25.3ns，比注入高斯脈沖的大7.5ns。主要原因為：在脈沖激光放大時，脈沖激光的前沿獲得較大的增益，并消耗了一定的上能級離子數(shù)，使脈沖后沿獲得的增益相對較小。因此，放大后的脈沖激光盡管與高斯形狀相近，但其前沿將變陡，而后沿存在一個較長的緩慢減少的尾部。隨著重復(fù)頻率的減少，上能級離子積累的時間變長，數(shù)量增大，脈沖放大的增益更大，使放大后激光的上升時間更短、尾部更長，并且脈沖寬度被壓縮得更小。如重復(fù)頻率6KHz時，放大后脈沖寬度為17.0ns,上升和下降時間分別為7.3ns、35.5ns。脈沖光纖放大器的實驗研究全光纖結(jié)構(gòu)的脈沖光纖放大器的實驗裝置如圖4所示。種子光源的脈沖激光通過光隔離器（ISO）后，經(jīng)過側(cè)面耦合器（Sidecoupler）的信號端進(jìn)入雙包層摻鐿光纖中，泵浦半導(dǎo)體激光器的功率經(jīng)過側(cè)面耦合器的泵浦注入端耦合進(jìn)增益光纖中，放大后的高峰值功率脈沖激光經(jīng)過一段匹配的無源雙包層光纖(WYDC)輸出。在無源雙包層光纖和摻鐿雙包層光纖之間，采用特殊泵浦濾除裝置(pumpdump)消除光纖內(nèi)包層中傳輸?shù)氖Ｓ啾闷止夤β?、放大自發(fā)輻射光。為了抑制光纖端面的反射和放大自發(fā)輻射激光的自生振蕩，把輸出端處理為8度斜角。Output3mYDF10/125WYDC10/125囹彳全光纖結(jié)枸脈沖鎖犬的實驗裝蠱PumpdumpSignalOutput3mYDF10/125WYDC10/125囹彳全光纖結(jié)枸脈沖鎖犬的實驗裝蠱PumpdumpSignalISOSidecoupler實驗中使用的摻鐿雙包層光纖長約3m,纖芯直徑10pm,纖芯數(shù)值孔徑0.14,八邊形內(nèi)包層的邊一邊長為120》m,在976nm的吸收系數(shù)為9.8dB/m。無源雙包層光纖的長度為?0.6m。使用的側(cè)面耦合器為自行研制，其泵浦耦合效率為63%,插入損耗?9%；信號光的插入損耗＜2%；泵浦輸入端對輸出端反向傳輸光的隔離度＞17dB。泵浦的半導(dǎo)體激光器的波長為915nm，最大輸出功率6W。種子脈沖激光的峰值功率約600W、平均功率為?150mW、脈沖寬度20—300ns。測得放大后的輸出光譜如圖5所示。其中,脈沖激光的峰值波長為1074nm,其功率比泵浦光的光譜功率大?18.5dB,因此輸出激光中的剩余泵浦光功率可以忽略。同時，從光譜中還可以看出，還有新產(chǎn)生的波長為1128nm的光，它比脈沖種子激光的波長約大54nm,與石英光纖的受激喇曼散射的頻移量一致。產(chǎn)生的原因主要是：由于雙包層光纖的纖芯較小,喇曼閾值較低,而放大脈沖激光的峰值功率較高,從而形成了受激喇曼散射。并且,隨著重復(fù)頻率減小,隨著脈沖激光峰值功率的增大,喇曼散射光的強度還將繼續(xù)增強。輸出脈沖激光的峰值功率、平均功率隨脈沖重復(fù)頻率的變化,如圖6所示。其中，實心圓形為不同重復(fù)頻率的平均脈沖激光功率。在重復(fù)頻率20kHz時，最大平均功率為1.78W,此時光纖放大器的斜率效率為52.2%?？招姆娇诪榘⑸涔鈺r的脈沖激光峰值功率；空心三角為修正喇曼散射光后的脈沖激光峰值功率，此時僅剩1070nm的脈沖激光。由圖可知，在重復(fù)頻率5KHz時，修正后脈沖激光的最高峰值功率為8.2kW，而包含喇曼散射光的脈沖峰值功率可達(dá)15kW。在高重復(fù)頻率時，由于激光峰值功率較低，受激喇曼散射光較弱，修正喇曼散射光前后的峰值功率接近，相差較小。在重復(fù)頻率20KHz時，脈沖激光峰值功率約為4.5kW。因此，在脈沖光纖放大器實現(xiàn)高峰值功率輸出時，必須提高光纖的受激喇曼散射閾值，避免受激喇曼散射對輸出脈沖功率的作用。在全光纖結(jié)構(gòu)的脈沖光纖放大器中，放大前后的脈沖激光的時域特性如圖7所示，其中重復(fù)頻率為20KHz。測得在放大前后的脈沖寬度分別為：19.3ns、18.1ns。輸入種子脈沖激光的上升、下降時間為5.7ns、34.5ns；放大輸出脈沖激光的上升、下降時間為后為1.4ns、43.3ns。數(shù)據(jù)表明，放大脈沖激光的前沿明顯變陡，放大后沿的時間更長，為一個緩慢降低的長尾巴，而脈沖寬度在放大過程中被壓縮了約1.2ns，與數(shù)值計算結(jié)果相符。根據(jù)實驗結(jié)果，通過樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作，完成了一臺結(jié)構(gòu)緊湊的、全光纖結(jié)構(gòu)脈沖光纖放大器。其主要參數(shù)為，輸出脈沖激光的峰值功率可達(dá)8.2kW，平均功率可達(dá)1.7W，重復(fù)頻率為5-20KHz，脈沖寬度為18—300ns。該樣機光學(xué)部分的尺寸為（包括最大突出部分）：370X270X90mm3。4分析與討論在本實驗中，包括側(cè)面耦合器、輸出的無源雙包層光纖后的總長為?5.5m，而且纖芯較細(xì)，其喇曼閾值功率約為2kW［13］。實驗中放大脈沖激光的峰值功率均大于2kW，因此產(chǎn)生了受激喇曼散射光，特別是在重復(fù)頻率5KHz時，放大脈沖激光中的喇曼光的功率占總功率的46%，成為限制放大激光功率的主要因素。在脈沖光纖激光器中，輸出脈沖激光的主要限制因素為非線性效應(yīng)和光纖損傷。由于光纖中的自聚焦閾值和光纖損傷閾值約為兆瓦量級［7］，而受激喇曼散射和受激布里淵散射的閾值主要由單位面積的功率密度和光纖有效長度有關(guān)。因此，在峰值功率為數(shù)十千瓦的脈沖激光輸出中，功率的主要受到受激喇曼散射效應(yīng)的影響［10］。根據(jù)光纖中受激喇曼散射的閾值，理論計算的喇曼閾值隨光纖的纖芯直徑、有效光纖長度的變化關(guān)系，如圖8所示。當(dāng)使用光纖的總長度為3-5m，為了實現(xiàn)峰值功率10-30kW的激光輸出，并有效地避免受激喇曼散射效應(yīng)，則纖芯直徑應(yīng)為15-25“m。此時，光纖在976nm的吸收系數(shù)應(yīng)達(dá)到?5—10dB/m。

7654&21O&口mEEct圏8喇曼散射閾值與光纖的關(guān)系IS圖7654&21O&口mEEct圏8喇曼散射閾值與光纖的關(guān)系IS圖9光纖中不同模式的彎曲損耗關(guān)系另一方面，隨著光纖纖芯直徑的變大，光纖的單模特性將很難保證。如實驗中的雙包層摻鐿光纖，在波長1060nm處纖芯的V為4.3，此時光纖將有四個模式同時傳輸，嚴(yán)重降低了輸出激光的光束質(zhì)量。由于利用光纖中不同模式的彎曲損耗的彎曲損耗濾波技術(shù)，不但能實現(xiàn)高光束質(zhì)量的激光輸出，而且不影響輸出激光的功率，因此成為提高光束質(zhì)量、實現(xiàn)單橫模輸出的最簡單有效的技術(shù)途徑。光纖不同模式隨光纖彎曲半徑的損耗變化變化關(guān)系，如圖9所示。其中光纖的纖芯直徑為20Mm，數(shù)值孔徑0.07。由圖可知，當(dāng)光纖的彎曲半徑4.8cm時，LP11模的彎曲損耗為1.2dB/m,而基模LP01的彎曲損耗為3.4X10-5dB/m,可以忽略,從而有效地濾出了高階模式?？傊?，為了獲得高光束質(zhì)量、高峰值功率的脈沖激