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RP系列激光分析设计软件 | 光纤放大器设计第七部分

2022-5-1 21:25| 发布者：Davis| 查看：979| 评论：0|原作者: 武汉墨光

摘要：RP系列激光分析设计软件可用于光纤放大器的设计。本教程包含稀土离子、泵浦吸收、纳秒脉冲、超短脉冲、噪声等十个部分的内容，可帮助您更好地了解光纤放大器的工作原理和应用。其中介绍了产生高能纳秒脉冲的方法、遇到的限制和挑战，如光纤非线性和增益饱和，以及如何控制这些限制。

光纤放大器的教程包含以下十个部分：

1、光纤中的稀土离子

2、增益和泵浦吸收

3、稳态的自洽解

4、放大的自发发射

5、正向和反向泵浦

6、用于大功率操作的双包层光纤

7、纳秒脉冲光纤放大器

8、超短脉冲光纤放大器

9、光纤放大器噪声

10、多级光纤放大器

接下来是Paschotta 博士关于光纤放大器教程的第7部分：

7.纳秒脉冲光纤放大器

产生高能纳秒脉冲的方法

稀土掺杂的激光增益介质，如掺杂玻璃纤维，具有较长的上态寿命。这意味着我们可以在没有信号输入的情况下通过泵送这种设备在这种设备中存储大量能量，然后用一个短脉冲提取所有存储的能量。通过将存储的能量暂时集中到持续时间仅为例如几纳秒的脉冲，可以获得相当大的峰值功率。

传统上，强纳秒脉冲是由Q 开关体激光器产生的。一种完全不同的方法是使用廉价的低功率脉冲种子源——例如，增益开关激光二极管——并使用光纤放大器系统将其输出放大到相当大的能量。该方法的一个吸引人的特点是可以轻松改变脉冲重复率和输出脉冲能量，而无需改变脉冲持续时间，或改变脉冲持续时间和形状而不影响其他脉冲参数。此外，还可以将两种或多种不同波长的种子激光器结合起来。在调Q激光器中，这种灵活的参数控制是不可能的；例如，较低的脉冲能量通常意味着较长的脉冲。

脉冲单模二极管激光器的低峰值功率（通常低于 1 W）意味着需要相当高的放大器增益才能达到微焦甚至毫焦。使用单个放大器级，例如提供 40 dB 增益，我们可以输出几十微焦耳。事实上，许多应用需要更高的脉冲能量，因此需要至少两个放大器级。

光纤非线性的局限性

虽然从光纤中获得大量增益相对容易，但光纤非线性会带来很多麻烦：

一个硬限制来自于几兆瓦峰值功率的灾难性自聚焦。如果一个人试图超过这个限制，光纤就会被一枪摧毁。值得注意的是，它不能通过增加光纤的有效模式面积来增加。
在自聚焦变得至关重要之前，自相位调制(SPM) 可能会导致严重的影响，尽管不会导致自毁。它可以显着拓宽光谱——但这对于某些应用来说并不重要，例如在激光材料加工中。
对于窄带光，受激布里渊散射(SBS) 是一个非常有限的因素。即使具有1000 μm 2的相对较大的有效模式面积，也已经达到了 ≈90 dB 的最大可接受布里渊增益，例如，在 1 m 的光纤上仅 400 W（对于足够窄的脉冲）。对于太高的 SBS 增益，会产生强烈的非线性反射，即，功率被送回种子激光器并可能杀死它。如果可以产生具有数千兆赫甚至更高的大光带宽的种子脉冲，则可以大大增加 SBS 功率限制。不幸的是，使用激光二极管不容易控制
独自的。请注意，仅具有多个峰的光谱是不够的，相隔数千兆赫；应该避免任何波长的任何高功率谱密度。超发光二极管在这方面会更好，但它的峰值功率更低。
最后，受激拉曼散射(SRS) 可能会出现问题。如果拉曼增益超过大约 40 dB，则大量功率将传输到更长波长的组件，通常相对于信号波长偏移数十纳米。通常，如果模式面积相对较大，则该问题始于几米光纤上大约 100 kW 的峰值功率。

具有较大模式面积的光纤有助于提高所有这些限制，但自聚焦限制除外。不幸的是，实际上可实现的模式区域存在限制，因为最终会遇到太弱的引导，并且对弯曲损耗和光纤缺陷过于敏感。

增益饱和带来的限制

在将脉冲放大到高能量时，我们还需要考虑增益饱和。对于具有小模式面积的放大器光纤，增益的饱和能量通常在几十微焦的数量级。对于大模式区域，可以将其推至数百微焦耳。然而，放大脉冲的理想能量通常更高，这会导致严重的增益饱和效应：放大器增益在脉冲期间大幅下降。由于该增益会强烈影响输出功率，因此脉冲形状可能会严重失真。图 1 显示了一个示例情况，其中输出脉冲能量为 112 μJ，增益饱和能量为 32 μJ。

图 1：掺镱光纤放大器中的输出功率和镱激发与时间的关系。点划线曲线显示了在没有增益饱和的假设情况下的输出功率。实际上，由于增益在放大期间下降，因此获得了较低失真的脉冲。

另一方面，如果我们想用单个脉冲提取大部分存储的能量，当然必须在强增益饱和状态下操作。为了有效提取，放大器输入端的增益饱和应该已经很强。放大器系统的最终放大器级通常会出现这种情况。对于该方案，一种设计为相对较低的增益，但大量的脉冲失真仍然是不可避免的。请注意，与矩形形状相比，对于形状更平滑的脉冲（例如，具有高斯形状的脉冲），这些不太明显且问题较少。

示例：用于纳秒脉冲的 Yb 掺杂放大器

作为各种限制的数值示例，我们可以考虑在 1060 nm 处具有 100 mW 峰值功率的超高斯（接近矩形）100 ns 脉冲的双级 Yb 掺杂放大器。种子脉冲能量为 10 nJ。

第一放大级有一根小模面积为 80 μm 2的光纤，因此我们可以在 500 mW 的低泵浦功率下获得高增益，这可以从通常的光纤耦合激光二极管中获得。种子脉冲可以放大到 4.5 μJ 的能量，远低于 52 μJ 的饱和能量。在这些功率水平上，光纤非线性也不是问题。因此，脉冲失真很弱，并且在低脉冲重复率下功率效率较低——这对于低功率前置放大器通常无关紧要。顺便说一句，该前置放大器的可实现增益受 ASE 限制，对于较短的信号波长（例如 1030 nm）可能更高。

对于第二阶段，使用具有四倍大模式面积的双包层光纤（见第 6 部分），因为知道增益饱和会很强，并且该阶段不需要高增益效率。在反向泵浦功率为 5 W 的情况下，我们获得了 32 dB 的小信号，同样受 ASE 限制。由于核心稍微多模，ASE得到了增强。

如果两个阶段之间没有任何滤波器，来自阶段 1 的前向 ASE 将充当阶段 2 中 ASE 的种子。这将使阶段 2 中的 ASE 非常强大，我们永远无法在那里实现 32-dB 增益。为了解决这个问题，我们必须滤除级间的大部分 ASE，使用带宽为 5 nm 或更小的带通滤波器。此外，我们使用了一个法拉第隔离器，它可以防止任何 ASE 从第 2 级转移到第 1 级，并提供一些防止背反射光的保护。

现在我们来看看两个放大器级中输出功率和 Yb 激励的时间演变（图 2）。正如人们所预料的那样，第二阶段的增益饱和很强，因为脉冲能量达到 710 μJ，远高于 206 μJ 的增益饱和能量。实际上我们希望处于这种状态，以便有效地提取高能量。

图 2：两个放大器级的输出功率与时间的关系。尽管增益饱和能量较高，但增益饱和在阶段 1 中较弱，但在阶段 2 中较强。

根据与时间相关的光功率，可以计算出第 2 阶段的峰值拉曼增益，发现它为 30 dB。这仍处于可接受的水平，不会对效率产生实质性影响。然而，如果我们使用正向而不是反向泵浦，拉曼增益会变得更高，因为如果输入光纤端的增益更高，脉冲能量会更早地在光纤中上升到高水平。

先前提出的结果是基于我们在脉冲放大之前长时间泵送两个阶段（几倍于≈1 ms的上态寿命）的假设。（在放大很少的脉冲后已经达到稳定状态。）图 3 显示了重复频率为 10 kHz 的脉冲放大稳定状态下的时间相关功率。然后增益饱和到较低的水平，特别是在第 2 阶段。脉冲失真现在较弱，拉曼增益要低得多。通过 ASE（未显示）的功率损耗也变得非常微弱。

图 3：与图 2 相同，但以 10 kHz 重复操作。

如果我们将输入信号功率加倍，那将几乎使第一级放大器的输出加倍，因为那里的饱和度很弱。尽管如此，第 2 级的最终输出只会从 344 μJ 上升到 359 μJ；无论如何，它已经非常强烈地饱和了。然而，存在第一级强烈饱和的其他情况，因此即使第二级尚未饱和，更强的信号输入也无济于事。

如果种子源的脉冲形状可以用合适的二极管驱动器电子设备控制，则可以优化输入脉冲形状，从而实现所需的输出脉冲形状。例如，人们可能想要获得矩形脉冲，即在一段时间内具有近似恒定的功率。这些功能也是此类放大器系统所特有的；使用调Q激光器是不可能的。

脉冲泵送？

对于高能体放大器，通常使用脉冲泵浦。在这里，泵浦能量在待放大的脉冲被注入之前不久被传递。这样，通过自发发射和 ASE 以及热效应（如热透镜效应）将能量损失降至最低。

对于光纤放大器，很少使用脉冲泵浦。这本质上是因为脉冲能量受到其他因素的限制，例如非线性效应，而这些因素不能通过脉冲泵浦来减轻。使用光纤放大器主要是为了获得更高的脉冲重复率，通常远高于逆上态寿命，而脉冲泵浦实际上并没有任何显着优势。

结论

我们已经看到，脉冲光纤放大器系统可以成为 Q 开关体激光器的有趣替代品，因为它们允许各种有趣的功能。然而，同样清楚的是，这种系统的开发要复杂得多。人们必须处理许多可能的问题，例如增益饱和、ASE 和光纤非线性。在没有基于数值模拟的彻底调查的情况下尝试这样的开发可能会失败，或者至少效率非常低，并且不会导致最佳性能。