（光学工程专业论文）掺镱光纤放大器噪声性能的研究.pdf

、 华中科技大学硕士学位论文 摘要 掺镱光纤放大器( y d f a ) 目前在高功率( 或高能量) 、便携式的激光光源领域正 受到前所未有的重视。在我国惯性约束聚变( i c f ) 激光系统计划中，前端光纤系统 完全建立在y d f a 的基础上。实际应用中对前端输出的种子光要求有极高的信噪比， 这就要求对y d f a 的噪声特性进行全面的研究。 t 论文的绪论主要由两部分构成。第一部分简述了y d f a 的应用、发展状况和前景， 阐明了y d f a 的优点在于其适应性及高效率。介绍了目前y d f a 的最新技术，如啁瞅 脉冲放大、包层泵浦等。第二部分介绍了y d f a 在i c f 前端中的应用，同时说明了本 课题的研究对象及意义。 理论分析首先论述了光放大器的噪声理论，然后通过分析y d f 的光谱特点及能级 结构，定性研究了y d f a 的噪声机制， 计算机模拟部分利用光纤放大器的噪声理论，结合y d f a 的数学模型，对自由状 态( 没有选频措施) 下的y d f a 的噪声特性进行了计算机模拟，将结果与国内外已经 发表的一些实验结果做了对比，一些基本特点得到肯定。 噪声特性分析部分分析了计算机模拟结果，得到课题条件下y d f a 的噪声特性。 改进方案部分，根据理论分析的结果，对课题条件下的y d f a 进行了低噪声设计。 参考e d f a ，主要从两个方面考虑：首先是无源器件的使用。通过分析常用的限噪无 源器件特点，结合y d f a 的噪声机制，确定采用何种及怎样使用无源器件。其次，从 光路的安排上，仍然是借鉴e d f a 的成功经验，计划y d f a 的特点，确定合适的光路。 实验系统设计部分，设计了一套y d f a 噪声指数测量系统，主要验证工作条件下 的y d f a 噪声指标一一检验设计是否满足实际需要。 关键词：掺镱光纤放大器e 辐咚)噪声特性吣 i c f 固 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t y d f a ( y t t e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i c a t i o n ) i sn o w ah o ti s s u ei nr o b u s t l y 、c o m p a c t l a s e rs o u r c e y d f ah a v ea l s ob e e nu s i n gi nt h ei c fi s s u ew h e r ea ne x c e l l e n ts n ri s p r o s p e c t e d ，s o ，a f u l la n a l y s i si sn e c e s s a r y t h et h e s i si sc o m p o s e do fs i xc h a p t e r s t h e1 s tc h a p t e ri n t r o d u c e sy d f a 、v i t l li t s a p p l i c a t i o n 、d e v e l o p m e n ta n dp r o s p e c t ，t e l lt h ea d v a n t a g eo f y d f ai si t ss i m p l ee n e r g y l e v e la n d b r o a d - g a i nb a n d w i d t h s o m en e wt e c h n o l o g yo f y d f aw a sa l s oi n t r o d u c es u c h a sc h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ( c p a ) a n dc l a d d i n gp u m p i n g t h e nap a r t i c u l a ri n t r o d u c e w a sb e e no f f e r e do nt h ea p p l i c a t i o n o fy d f ai nt h ei n e r t i ac o n f i n ef u s i o n ( i c f ) a n ds i g n i f i c a n c eo f t h i sp r o j e c tw a si n t r o d u c e d i nc h a p t e rt w o ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h et h e o r yo fo f a n o i s e ；e s t i m a t e dt h ey d f a s n o i s ec h a r a c t e rb y a n a l y s i si t se m i s s i o ns p e c t r u m a n d e n e r g y l e v e l c h a p t e r 3c o m p u t e rt h ey d f a sa s ep o w e ru n d e rf x e ec o n d i t i o n ( n ow a v e l e n g t h s e l e c t e d ) ，i nt h ee n d a c h i e v e dac o m p l e t e l yr e s u l tw h i c hm a t c hw o n d e r f u l l y 砸t l lt h e e x p e r i m e n t o t h e r sh a v ef i n i s h e d c h a p t e r 4 d i s c u s st h er e s u l to f c h a r a c t e r 3 ，a n a l y s i st h en o i s ec h a r a c t e ru n d e rt h r e e d i f f e r e n tc o n d i t i o ni ni c fl a s e rc o n f i g n r e c h a p t e r 5 i sf o c u s e do nt h es t r u c t u r a ld e s i g no f l o wn o i s ey d f a u s i n gv a r i e s p a s s i v ec o m p o n e n t a n d s p e c i a lc i r c u i tw h i c h w a s a l w a y s b e e n a d o p t e d i ne d f a s d e s i g n , t h ei m p r o v i n gd e s i g n u n d e rt h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o nh a sb e e na c h i e v e d c h a p t e r 6d e s i g n sa ne x p e r i m e n tc o n f i g u r ef o rp r o v e t op r e v i o u sa n a l y s i s ，ac o n t i n u u m w o r kw a s b e i n ge x p e c t e d t od of o rt h ep e r f e c ti s s u e k e yw o r d s ：y t t e r b i u m - d o p e d f i b e ra m p l i f i c a t i o n ( y d f a ) n o i s ef i g u r e ( n f )i c f u 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 1 绪论 光纤技术的发展，一方面成就了光纤通信，另一方面，也促进了更多有用的技术， 光纤放大器就是其中之一。传统的激光放大器，由块状工作物质及各种光学元件组成。 缺点是：体积大，质量大，结构松，可靠性差，就像电子管时代的计算机。光纤放大 器则不同。它的工作物质是光纤，即，是利用光纤的受激辐射效应或非线性效应来实 现对光的放大。而光纤的特点有目共睹：有极好的柔挠性；器件体积小，灵活；采用 半导体激光器泵浦，能量转换效率高；具有较高的面积一体积比，散热效果好。 按原理光纤放大器又分两种i l l ： ( 1 ) 利用光纤的非线性光学效应制作的光纤放大器，其中有受激r a m a n 散射 ( s r s ) 和受激b r i l l o u i n 散射( s b s ) 光纤放大器。 ( 2 ) 掺稀土元素光纤放大器。 1 1 掺稀土元素光纤放大器 作为掺杂元素，在构成激光器或放大器时，稀土元素有其共同的优点【2 】：荧光和 吸收波长对外场依赖性小。这与它们的核外电子排布密切相关。1 5 种稀土元素具有相 同的外层电子结构，包括5 s 和5 p 电子。占据4 f 的内层电子主导了此类元素的光学性 质。光学吸收和发射引起的跃迁均发生在4 f 电子层内。稀土元素的粒子化通常形成三 价的粒子，5 s 和5 p 电子层的电子保持不变。因此，4 f 层的剩余电子被部分屏蔽而不 易受到外场的微扰。荧光和吸收波长因此也对外场的依赖性较小，这一点与其它跃迁 元素粒子不同，因为它们不具有这种电子屏蔽。 掺稀土元素光纤的激光放大效应发现的很早，仅仅落后激光器的发明四年。1 9 6 4 年，s n i t z e r 发表论文，阐述了掺钕光纤的光放大效应。但由于当时掺杂光纤的制备工 艺还不成熟，所以其后二十余年该方面进展缓慢。到了八十年代中期，随着v a d ( 气 相轴向沉积法) 等光纤掺杂工艺的出现，掺铒、钕粒子光纤放大器再次成为人们的研 究热点。1 9 8 5 年，英国南安普敦大学首次研制成功掺铒光纤，1 9 8 6 年首次报道制成 用半导体激光器泵浦的掺铒光纤放大器。到今天，伴随着光纤通信技术的快速发展， 华中科技大学硕士学位论文 e d f a 已臻完美。 虽然目前人们研究的重点还主要放在光通信波段掺稀土元素光纤放大器的研究 上，如e d f a ( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r s ) 、n d f a ( n e o d y m i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r s 、 和p d f a ( p r a s e o d y m i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r s ) 等，但一些相关领域也开展了别的波段 掺稀土元素光纤放大器的研究，而且，得益与e d f a 技术的发展，这些“冷门”光纤 放大器发展有了一个很高的起点，因此技术成熟的很快。这其中就有掺镱光纤放大器 ( y d f a ) 。 接下来，先简述y d f a 的发展历史及现状，然后结合其特点重点介绍当前y d f a 研究的关键技术。 1 2 掺镱光纤放大器 掺镱光纤放大器( y d f a ) 是一项年轻但又相对成熟的技术。最早研究y b 粒子在 硅质光纤中的激射特性的是s o u t h a m p t o n 大学的h a n n a ，t r o p p e r 及其同事。1 ，1 9 8 9 年他们利用色散元件实现y b 光纤激光器的调谐输出，输出结果从1 0 1 0 n m 到1 1 6 2 n m ， 利用了y b 发射谱的长波段。随后。在1 9 9 0 年代中期e d f a 技术较成熟的推动，主要 是可以制作合适波长的半导体泵浦激光源的出现和光纤掺杂工艺的进步，y b 更多优点 得以被发掘。很多组织机构开始研究它，有趣的现象是，最初，人们研究它的着眼点 各有不同，查阅那一时段的文献，发现有人利用它产生各种激射( 放大) 的波长，有 人则尝试用各种波长来泵浦它以获取最高的转换效率；有人研究它放大单纵模连续光 的情形，也有人研究它巨大的啁啾脉冲放大潜力。这方面的详细情况如表1 i 所示【6 】。 这些情况，隐含了y d f a 的第一个优点：适应性好。这直接得益于其光谱特性。 如图1 i 所示，是y d f 的增益谱图“1 。由图中可以看出： ( 1 ) y d f a 的增益谱很宽，从9 7 5 n m 到1 2 0 0 h m ，覆盖了很多重要波长。例如， 1 0 4 7 n m 和1 0 5 3 m n 是n d ：y l f 激光波长，1 0 6 4 r i m 是n d ：y a g 激光波长，而1 0 8 3 n m 用于原子分子光谱学研究等。同时，宽的增益谱也是锁模放大器的必备条件，y d f a 的增益谱可以产生的极限脉宽为3 0 个飞秒。 ( 2 ) 吸收带也很宽，从8 0 0 n m 到1 0 6 4 r i m ，因此可以有多种泵浦源，从半导体激 华中科技大学硕士学位论文 光器到n d 粒子激光器。泵浦技术是激光( 放大) 器的关键技术之一，这无疑是y d f a 的优点。 表1 1y d f a 应用一览 l a s e rw a v e p u m pw a v e -y t t e r b i u mf i b e rl e n g t ht h r e s h o i d s l o p e 1 e n g i i i ( r m )l e n g l l i 1 ) c o l i c ( m ) ( m 哪e f f l c i e n c e r e f 9 7 49 0 0 5 8 0 p p m 0 51 1 s6 7 【3 】 9 8 08 9 02 * 1 0 2 0 c m 3 8 61 5 86 6 8 】 1 0 1 98 6 9 0 1 1 w t 71 44 1 9 】 1 0 4 09 7 4 5 0 0 p p m 5 7 57 0 【1 0 1 1 0 4 7 9 7 4 1 8 0 0 p p m l o 2 3 0 u w 4 4 【i l 】 1 0 6 59 1 0不清楚不清楚 b o ( 3 ) 功率放大器：工作在饱和区，n f 一般较高( 5 d b l o d b ) 。 ( 4 ) 级联放大器： _ = 器s n r = 器s n r 器s n r 鬻s n r 眨1 3 一， ” vt2 l z j 1 8 华中科技大学硕士学位论文 2 曩+ 击e + 去+ 一一 ( 2 1 4 ) 2 2 y d f a 荧光谱与能级结构“侧 y d f a 的吸收与发射截面如图2 2 ( a ) 所示，具体来说，特点有三 ( a ) - - i 吐 2 图2 2 ( a ) 硅基质中y b 的吸收与辐射截面( b ) y b 的能级结构 9 1 1 6 3 0 f 1 1 0 0 0 e 1 0 2 印 d l 毋0 c 1 0 f i o b 6 a 0 ( 1 ) y d f a 有两个吸收峰。一个是9 7 5 n m ，吸收截面最大，吸收带宽窄。另一个是 9 1 0 h m 处，吸收截面次大，但吸收带宽宽； ( 2 ) y d f a 的发射峰也有两个，一个也在9 7 5 n m 段，增益高，增益带宽窄，另一个 较高增益带在1 0 3 0 n m 处，增益带宽宽； ( 3 ) 9 7 5 n i i i 处，吸收和发射截面面积接近。 y d f a 能级结构如图2 2 ( b ) 。对应与图中所有波长，相关的只有两个能级：上能级 2 p2 p 5 2 和下能级7 2 ，这两个能级又分别分裂成三个和四个s t a r k 子能级。在常温下， 由于存在强烈的均匀和非均匀加宽，各子能级之间的跃迁是不能完全分辨的，因此形 成了连续的光谱。 在最具代表性的波长附近，我们分别用字母a - e 表示出来。在以9 7 5 n m ( a ) 为中 心谱宽比较窄的波长范围内，吸收谱和发射谱相互重合，同时达到最大值，它对应于 激光上下能级各自最低s t a r k 子能级间的跃迁( a - e ) ，次吸收峰在9 1 0 h m ( b ) 处，对 应于由基态向f 和g 的跃迁。在长波长处( c ) 的弱吸收对应于从能级b 向激发态的 1 9 华中科技大学硕士学位论文 跃迁，这是由于粒子在基态各s t a r k 子能级间呈b o l z m a n 分布，在室温下仍有6 的 粒子处于b 能级。 在9 7 5 n m ( a ) 处的激光辐射属于三能级跃迁。从次辐射峰1 0 3 0 n m ( d ) ，直到1 2 0 0 n m 的激光辐射具有准四能级的特性，对应于从能级e 跃迁至b 、c 和能级d ，在短波长( e ) 处，虽然没有实现激光辐射，但跃迁也是存在的，对应于从f 向基态跃迁。 这样，y d f a 的能级结构主要呈现的特点是：9 7 5 n m 段的激射属于三能级，1 0 3 0 h m 长波段则是准四能级。 关于这两个激射段的关系，有以下结论： 文献【4 】描述了在9 1 0 r i m 泵浦，自由状态下( 不加选频措施) y d f a 行波放大的实 验。在文献所述条件下，光纤长度小于l m 时激射波长全部来自9 7 5 n m ，超过l o o m 时，则完全是1 0 3 0 r i m 段，光纤长度介于其中时，两种激光都有。 另一实验是国内上海光机所的陈兰荣老师所作口”。他在文献中描述了这样一种现 象：尝试用9 1 0 n m 和9 8 0 r i m 去泵浦y d f a ，在用9 8 0 h m 泵浦时，发现没有产生预期 的1 0 3 0 r i m 激光。 上述两个实验的结果表明，9 8 0 n m 段和1 0 3 0 r i m 段辐射的关系取决于光纤长度( 或 泵浦功率) 。 这是对已有文献中结果的定性分析。 为了对y d f a 的噪声特性有一个直观、动态、全面的结论，下面，根据光纤放大 器的噪声理论和y d f a 的数学模型，对y d f a 的噪声特性进行计算机模拟。 华中科技大学硕士学位论文 3 y - d f a 噪声特性的计算机模拟 3 1 y d f a 的两能级速率方程 物理上，y d f 的曲( 主) 能缴同距远大于于能级间，且粒子数在各子能级到达热 衡布( b o l z m a n 分布) 时间很短，所以本质上它还是二能级系统。其速率方程如下： 警= ( r 1 2 + w 1 2 川一( r e l + ，+ a 2 1 ) 一z ( 3 1 ) 该方程可解得稳态解： 铲而rr 高a z ， 1 2 + 2 l + 嵋2 + l + 2 l r 。一7 跃迁速率为：r 1 22 i “j v l e 2r e i2 a 1 “o 。p l ( 3 3 ) 2 萎景靠2 萎景呓 这儿，r 。：、r 2 i 为泵浦光引起的跃迁几率，w 。w 2 。是其他光引起的跃迁几率，包括各段 a s e 以及信号光。其中，酩和口另是泵浦光有效吸收和发射截面面积。和醋是频率为 v 的噪声( 或信号光) 有效吸收和发射截面面积a ，。和l 是泵浦光和噪声光( 或信号光) 的强度。对于通常的单模光纤，泵浦光在，乜纤截面的分布可以假设为均匀的。 3 2 传输方程 对于小同饭段阴a s e , 砹该段尤功率为p ( v ) ， p 熄= p 堪+ p 媳p = i a 譬= 【( 盯掣2 一口g l 】尸篮+ 2 2 盯 i 讼y 譬= 一【( 口磐) 2 一盯黔1 p 。( r y 一2 2 盯等j l 比y 誓= 【p 5 f 2 一盯g ) l 蟛 誓= ( 盯 p ：一仃i ：；) 州) 只 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 2 i 华中科技大学硕士学位论文 由于a s e 的光谱较宽，且光谱中不同频段在光纤中传播时其增益、衰减特性相差 极大，根据不同波段采用合适计算带宽才能保证精确度。本例计算中，从9 1 0 n m 到 1 1 5 0 h m 共分了5 0 1 个频带，在9 7 5 n m 吸收与发射峰处，从9 6 0 a m 到9 8 0 n m 带宽选择 0 i n m ，1 0 3 0 n m 次辐射峰处按0 5 n m 的宽度，从l o l o n m 到1 0 5 0 n m ，其他按i n m 的宽度。 y b 光纤芯径取为6um ，截止波长8 6 0 n m ，l 取为2 5 m ，掺杂2xi 0 “m - 3 。泵浦波长为 两种典型情形：9 1 0 n m 和9 8 0 n m ，泵浦功率均为1 w ，均采用正向泵浦。分三种情形计算： ( 1 ) 自由状态下的y d f a 。所谓自由状态，指不加任何隔离器、滤波器等降噪或 选频元件，也无信号光输入。该条件下的研究，是本质上理解y d f a 噪声机制的基础。 ( 2 ) 加隔离器下的y d f a 。隔离器是唯一一种几乎任何光放大器都要使用的无源 器件。该状态下的模拟可以简化对实际情形的分析。 ( 3 ) 加输入信号时的y d f a 。按照神光三前端计划，经过y d f a 放大的有三种光， 分别是单频连续光、单频纳秒脉冲和超短脉冲在啁啾展宽后的脉冲，该脉冲脉宽虽然 也是纳秒级，但由于谱宽很宽，需要单独考虑。 图3 1 为数值计算y d f a 噪声功率流程图 3 3 模拟结果 3 3 1自由状态下y d f a 的噪声特性 图3 2 、3 3 分别是采用9 1 0 n t o 和9 8 0 h m 泵浦的模拟结果。图中给出了a s e 谱、泵浦 功率及反转粒子率沿光纤的动态变化。由图中可以看出该条件下的y d f a 噪声特性： ( 1 ) 9 1 0 n m 泵浦时，a s e 主要集中在9 7 5 n m 段，带宽大概几个纳米；沿光纤，正 向9 7 5 n i i l a s e 在短短距离内达到峰值，然后保持很长一段距离，靠近光纤尾端时有一 些下降，反向9 7 5 n l i l a s e 则在整个光纤长度内很小，只是在靠近光纤初始端的一小段 距离内开始，最后峰值甚至高于正向的情形。泵浦光的功率下降很快，反转粒子率在 开始一小段有一个陡降( 对应着反向a s e 的迅速生长) ，然后一小段范围内回升，随后 迅速降到0 5 左右一直保持到光纤尾端。 ( 2 ) 9 8 0 n t o 泵浦时，中间大部分光纤长度范围内没有a s e ，首尾很小一段光纤 1 0 3 0 n m 段a s e 上升很快，带宽几十个纳米。泵浦功率下降缓慢，反转粒子率在中间大 部分光纤范围内保持0 5 左右，在开始和末尾较低。 华中科技大学硕士学位论文 厂、 掣j 只1 ( o ) ；彤；巧1 ( 0 ) ； 0 等t l + p t ，o ) ；= 1 5 0 1 0 j 只三以，o l 七= 1 5 0 1 2 _ ， 厂、 彤1j 只1 q l 彤j 掣乜) ； 0 j 彰i 口1 + 以，o ) ；七= 1 5 0 1 ； 0 j 彰“，o ) ；七= 1 5 0 1 ； 巧1 ( o l 巧1 ( 0 1 只r ，l + 以，o l ，扁以，0 ) ， 、 掣等掣乜x 彤j 掣0 l 0 j 尸益o o ，o x | j = 1 5 0 1 ； 0 j 赡以，o ) ；女= 1 5 0 1 ； 掣彬似 p 怂“，o l ，躲“，0 ) 图3 1 数值计算y d f a 噪声功率流程图 华中科技大学硕士学位论文 a 图3 29 1 0 r i m 泵浦，功率l w ， aa s e 分布b 沿纤泵浦功率c 沿纤粒子反转数 c 图3 39 8 0 n m 泵浦，功率l w a , a s e 分布；b ，沿纤泵浦功率c ，沿纤粒子反转数 3 3 2 加隔离器时y d f a 的噪声特性 加隔离器时，计算中采用的变化是只考虑正向a s f ，考察项仍然是a s e 谱、泵清 功率及沿纤反转粒子率。结果如图3 4 、3 5 。 华中科技大学硕士学位论文 a b 图3 49 1 0 r i m 泵浦，功率l w ，加隔离器 a , a s e 分布；b ，沿纤泵浦功率c ，沿纤粒子反转数 b 图3 59 8 0 r i m 泵涕，功率i w , 加隔离器 a ，a s e 分布；b ，沿纤泵浦功率c ，沿纤粒子反转数 ( 1 ) 9 1 0 r i m 泵浦时的最大特点是，图中可以看到两个a s e 段。一个仍是9 7 5 n m 段，象不加隔离器时一样，在开始较短一段光纤中上升到个峰值，保持相当长距离， 在光纤尾端下降，带宽几个纳米；另一个新出现的a s e 是1 0 3 0 r i m 段，带宽仍为几十 个纳米，它是在9 7 5 n m a s e 下降时出现的。泵浦功率仍然是在很小一段距离就降为0 ， 反转粒予率呈现台阶状，尾端几乎降到了0 ，这是和不加隔离器明显不同的地方。 ( 2 ) 9 8 0 r i m 泵浦时，加不加隔离器，在图中的差别就象是简单的加减关系。 华中科技大学硕士学位论文 3 3 3 有信号入射时y d f a 的噪声特性 在3 3 2 的基础上加入一个入射信号的结果如图，首先考虑加入的是单频连续光 的情形，该信号光波长取1 0 5 3 n m ，线宽0 1 n m ，模拟结果如图3 6 。 图3 6 加隔离器下y d f a 放大单频连续光时的情形 9 1 0 r i m 泵浦，功率2 w ，信号光功率为o 0 0 1 w ；e_eu2f芏jzo再 ；e一l” 华中科技大学硕士学位论文 4 1 模拟情况分析 4 y - d f a 噪声特性分析 比较前述几种情况下的模拟，可以得到： ( 1 ) 尽管增益浦中显示，y d f a 的发射谱从9 0 0 r i m 段到1 2 0 0 n m 段呈现连续的 特点，但模拟的结果，即使在自由状态下行波放大时，噪声也基本上集中在9 7 5 n m 与 1 0 3 0 n m 两个区域。这很容易由激光的模式竞争理论解释。因而，y d f a 的噪声特性 最多可以用四组a s e 以及泵浦光和信号光之间的关系来描述。这四组a s e 分别是： 正反向的9 7 5 n m 段a s e 和1 0 3 0 r i m 段a s e 。 ( 2 ) 9 7 5 n m 和1 0 3 0 n m 两个波段的a s e 各有各的特点。9 7 5 n m a s e 在高粒子反 转数时起着压倒性的作用，从9 1 0 r i m 泵浦的一组图中看的很明显，五米附近，只用了 一米，它就将泵谱功率完全吸收。而反向a s e 在很大程度上被正向抑制原因也正在 于9 7 5 n m 这段对于y d f 与e d f 的不同处：它既是发射峰，又是吸收峰。 1 0 3 0 n m a s e 则有自己的特点。粒子反转率在一半以下，9 7 5 n m 进入吸收与发射 的平衡时，它有成为a s e 主要成分的趋向，但由于此时，增益不高，要经过较长一 段光纤后才能显现出来的，这就是图3 4 中看到的在光纤的尾端9 7 5 n m a s e 下降， 1 0 3 0 n m 上升的原因。 ( 3 ) 关于9 1 0 r i m 泵浦和9 8 0 n m 泵浦的区别：四组图都显示，两种泵浦方式造成 的沿纤粒子反转率有一个共同特点：在光纤的大部分长度内保持o 5 左右。这本是 9 8 0 r i m 泵浦的特点，对于9 1 0 r i m 泵浦的情形，由于9 7 5 n m a s e 在高粒子反转率时增 益系数很高，9 1 0 n m 泵浦相当于多了一个向9 7 5 n m a s e 转移能量的过程，一旦转换完 毕，9 7 5 n m a s e 将起到和9 8 0 n m 泵浦相似的作用，其结果都是在很长一段光纤内保持 0 5 左右的粒子反转率。 ( 4 ) 对于1 0 5 3 r i m 的信号光，1 0 3 0 n m a s e 是难处理的。9 7 5 n m a s e 和1 0 5 3 r i m 信号特性相差较大，虽然在各种工作条件下都占很大比重，但e d f a 中有的是处理这 种a s e 的方法。 上述分析，也可以简单的归结为：y d f a 的噪声特性取决于9 7 5 n m 段a s e 和 华中科技大学硕士学位论文 1 0 3 0 r i m 段a s e ，两者的比例取决于光纤长度。且有无长波段信号光a s e 特性相差很 大( 以下将会谈及) 。 上述模拟的结果在9 7 5 n m 与1 0 3 0 n _ m a s e 的关系上与文献3 1 1 4 1 的实验结果吻合的 很好，而且还多了两项文献口1 1 4 1 中没有报道的a s e 项：反向的9 7 5 n m a s e 和 1 0 3 0 m n a s e 。这是模拟计算的优点，实验中必须分开研究的情形在模拟计算中可以很 容易一并考虑，这样才是对y d f a 噪声特性的完整描述。 以下的工作情况分析、方案设计( 或改进) ，均围绕以上模拟计算得出的结论进 行。 4 2 三种具体工作情况下的噪声 以下三种情况，考虑实际工作条件，由于隔离器的作用不仅是抑制反向a s e ，更 可以防止光反馈，故只分析加了隔离器的情形。 4 2 1y d f a 放大单纵模连续光 在放大1 0 5 3 n m 单纵模连续光时，由于1 0 5 3 n m 属于准四能级，根据前面的分析， 粒子反转数在一半时，1 0 5 3 r t m 消耗反转粒子的能力强于9 7 5 n m ，因此，可以利用粒 子反转数低于一半时，9 7 5 n m 会被吸收的原理来减少9 7 5 n m a s e ，但1 0 3 0 n m 段的a s e 在此点上和1 0 5 3 r i m 信号波段相似，且其辐射能力大大强于1 0 5 3 r i m 段。控制它可以 通过强信号光来抑制。另一种简单的措施是采用光纤光栅窄带滤波。 计算了用9 1 0 n m 泵浦时的情形。在入射光功率有一定幅度时( 计算中采用 0 0 0 1 r o w ) ，泵浦功率在一个相当大的动态范围内变化( 计算中为0 1 1 0 w ) ，输出端 的噪声功率变化不大。原因前面已经分析，由于y b 的三能级特点，在光纤的后端泵 浦光消失后9 7 5 n m 段b s e 被信号光吸收。由于此时信号光已有足够强度，1 0 3 0 n m 的 a s e 影响不大。所不同的是前面仅是一个分析，这里却有了具体的结论。也就是说， 在对连续光进行放大时，即使用9 1 0 n m 泵浦，甚至不需要考虑滤波。这可以减少光路 的损耗，并降低成本及不稳定性。 以上分析可以归结为：有信号光参与时，y d f a 的噪声集中在9 7 5 n m 段，这时可以 通过增加光纤长度来改普噪声特性。 华中科技大学硕士学位论文 4 2 2 啁啾脉冲放大 啁啾脉冲放大中的噪声特性有所复杂化，相对于单纵模连续光或脉冲光的放大， 啁啾放大中因为附加了展宽与压缩这两个过程，噪声增加了一项。由于脉冲变形导致 的噪声比较复杂，本文只对此项进行定性的分析。 啁啾脉冲的放大与一般脉冲有很大不同，它所用的理论模型也是另外建立的。它 涉及到一些概念如失谐放大、相位变化等都充分体现了它的复杂性。以y b 光纤为例， 就存在这样一个问题，目前为止，已有的成果多集中在对入射脉冲中心波长位于放大 器第二荧光峰处的啁啾脉冲进行所谓“共振放大。2 h ，或远离发射截面变化较大的区 域进行增益平坦性的放大，报道的结果，无论输出的能量或脉冲的时域和频域特性都 取得了理想的放大效果。 兮 g 量 釜 磬 b l 虿 兮 g 富 鲎 图4 1 硅光纤中y b 的发射截图4 2 输入信号光 然而高亮度激光系统要 放大的脉冲中心波长为 1 0 5 3 n m ，如图4 2 所示，图4 1 为放大器在锁模脉冲频谱范 围内的荧光辐射截面图”3 。由 图中可以看出，最大辐射截面 所 在波长与入射脉冲中心 波长不一致，造成在小信号时，中心波长两侧对称的频谱分量所得增益差别很大，这 也就是所谓“失谐放大”。实际上，在一些研究中，实验研究了对1 0 6 0 m 失谐放大【3 3 】， 但由于此处辐射截面变化不大，且其中选择的带宽只有几个纳米，失谐表现并不严重， 实验结论相对也是完美的。而在1 0 5 3 a m 失谐放大中则有不同，由图中可以看出，短 波段增益曲线上升很快，而实际也需要能放大的带宽尽可能宽，若没有合适的措施， 放大后的脉冲形状将会严重畸变。由于后续脉冲压缩只能恢复由展宽器带来的相位调 制，而放大器的噪声特性直接取决于放大过程中的脉冲畸变，这样势必造成脉冲信噪 比的大幅下降，因此必须设法使y d f a 放大后的啁啾脉冲有尽可能好的形状。这方面 已有成熟的实验报导【1 8 】，但没有见到相关的理论分析。 华中科技大学硕士学位论文 本部分从理论上分析了y d f a 对中心波长为1 0 5 3 r i m 的啁啾脉冲的放大特性，发 现存在一个输入脉冲光谱宽度、输入光强、增益系数等参量的优化组合，任何一个参 量的变化可能会导致输出脉冲形状的严重畸变。 ( 1 ) 理论模型 在以下分析中忽略放大器的损耗，且只研究介质均匀加宽的情况。 图4 3 啁啾放大原理图 放大器的作用相当于对脉冲进行调幅及调相【3 l 。假设其幅度传递函数为g ( m ) 相位传递函数为由( u ) 。对于啁啾脉冲，脉冲的频谱分量分别对应时域上某一时刻 幅度与相位传递函数又可写为g ( t ) 和由( t ) 。 对于g ( t ) 有： g ( f ) ；e x p 括瞄，r ，卿g ，) 恤 = e x p p b 。( f 肛g ，r 皿 = 麟p p ( f ) 。( r ) ) ( 4 1 ) 其中，g 为增益系数，i ( c ) 为脉冲瞬间频率，o 为发射截面。i 。o ) ；p g ，f k 。 尚需作出说明的是，关于n ( z ，t ) 与n 。，由于y d f 的实际情况，含义有很大变 化。在掺镱光纤( y d f ) 中，在1 0 3 0 r t m 1 0 7 6 n m 这一段，o2 1 o1 2 ( o2 1 和o1 2 分别为y d f 发射及吸收截面) ，同时，若采用9 8 0 泵浦，1 1 2 4 n 1 【6 j ，于是，g = o2 1 1 1 2 01 2 n l o2 i n 2 1 2o2 i n ，因此，n ( z t ) 不再是粒子反转密度，而直接是上能级粒子密 度，相应n 娃则为单位面积内上能级粒子数，而n 为y b 粒予的掺杂浓度。对于n t o t ( 1 ) ， 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 根据f n 方程【3 4 】： o n 1 百2 一雕印。一朋盯寺 ( 4 2 ) 丝硼卅一譬c (43)ot 叙 7 其中，y ：l + 垒，由为光子通量，c 为y d f 中光的传播速度。 盯2 1 在采用移动坐标系时，( 4 2 ) 式不变，对于巾，有下式 掣= r n c a #( 4 4 ) o x 在y d f 中，对于1 0 5 3 n m 波段，y = 1 由( 4 2 ) 、( 4 4 ) 得： 警一涨( e x p p b ( f 帆阱) - 一靛( c x p ( t ) l u 删 _ 1 ) ( 4 5 ) 其中，o 【u i ( t ) 】为i ( t ) 处的发射截面。u 。m 为入射脉冲中心频率处的饱和通量，0o 为 此处的发射截面。 k 为频率的函数，且有：| j 妇，) = 当= 1 + 之生( 其中b 为展宽器展宽比，t 为啁瞅脉 国nf 。0 7 “ 冲脉宽) ，在典型的取值下，k 的变化缓慢，极限变化值约为o 0 5 ，故上式可简化为： 誓= 一拦( e 印( f 帆( f ) - 1 ) ) 放大器的相位调制声( r ) 可分为色散调相九( f ) 、原子响应( a t o m i cr e s p o n s e ) 调相 丸( f ) 以及自相位调制妒跏( f ) 。由于九( r ) 与后级压缩器的相位调制都是与白，一y ( n = 1 ，2 ，) 成正比，且九比丸( 压缩器对啁啾脉冲的相位调制) d , - - 个数量级， 可以诵讨调节压缩光栅对的倾角来补偿。因此不予考虎：而存本研究对象信号光稿糖 华中科技大学硕士学位论文 小，故y d f 的自相位调制非常微弱。这样放大器的相位调制只需考虑因为失谐放大 造成的原子响应调相丸( ，) 。根据研究结果： 圳；圭b 咖如，肛= 卅掣掣出( f 慨，归 引入n t o t ( t ) ，易得出： 删一丛絮乎仃( ，虮( f ) 该式不仅适合于增益饱和区，也适用于小信号放大。 其中，丸：垒些，九( ，) 为锁模脉冲通过展宽器后的附加相位。 假设y d f a 的输入脉冲光场为 e 。( ，) = 一e x “一圭( 争2 。】e x p f 【m 。卜r 圭6 ( ) 2 】) i l l 为常数，m 1 ，为超高斯脉冲，m = 1 ，为高斯脉冲。 有 丸( ，) = ( 4 7 ) ( 4 8 ) ( 4 9 ) ：篓( 4 1 0 ) f b t ， 则 丸( ，) = 一丝嚣曼口( f 凯( f ) ( 4 1 1 ) 仃h 伽= 盯b + b t ，2 ) ( 4 1 2 ) 则放大后的脉冲为： e 一( f ) = e o ( f ) g 鲫e x 刚曲 = 彳唧【一言( 2 。】e x p o i m 。，+ 圭6 哆) 2 】) e x p p o ) ( f 皓 哪十警帆吣 h 1 3 小) ：l e - , ( , 1 2 “e x 4 村。枷附) 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 计算分析 设典型的取值如下：锁模源提供的脉冲半宽为t o = 5 0 f s ， t = 0 5 n s ，则b = i 0 0 0 0 ： l = 2 5 m ，n = 2 1 0 2 4 m 3 ，o0 = 3 8 5 1 0 2 7 m 2 ， 则g o = e x p ( i 2 oo n l ) = e x p ( 3 8 5 4 0 ) 在 1 0 5 3 r i m 处u 。m = o 5uj um 2 ，入射啁啾脉冲能量取5 0 p j 5 0 n j ，相应峰值光强1 0 6 l ( w um 2 l o 。3 l i w um 2 放大器增益带宽取为从9 9 0 n m 到1 0 7 0 n m ，中心波长为1 0 3 0 r i m ， 设入射脉冲中心波长1 0 5 3 r i m ，带宽1 0 3 0 n m 1 0 7 6 n m 。则( ) a = 1 4 2 t ( r a d ) o 0 - 【i ) a = - 4 0 t ( r a d ) 关于t 的取值范围，因为y d f a 在1 0 3 0 n m 处的放大截面是一尖峰，为了充分考 虑它对失谐放大的作用，取脉冲全宽的两倍作为计算范围，亦即从一2 0 f 到2 o f 。 用数值解法解前述方程。 由于啁啾脉冲的特性是频谱在时域上展开，各频段的强度放大情况可先在时域中 进行分析，从定性角度理解，如果啁啾脉冲没压缩前时域内有好的脉冲形状，则该脉 冲的幅度谱也是优良的，但相位谱则需专门分析，因为相位调制不仅仅改变锁模性能， 也对最后的实际场强叠加( 从而产生不同光强分布) 起着举足轻重的作用。 时域 输入光强i i 。( t ) 不同时的情况 图4 4 中四幅小图完整的展现了y d f a 放大啁啾脉冲中不同输入光强对输出脉冲 形状的影响。在峰值光强很小时，超高斯光束的畸变非常严重，这说明光强很小时， 由于增益饱和效应非常弱，失谐放大起主要作用。随着光强的增加，增益饱和的作用 逐渐增强，从图( a ) 小信号时的紫移到图( c ) 的红移，显示了它在失谐放大中良好 的调节能力。实际上，文献p 5 】讨论过用失谐放大来抵消增益饱和的频移倾向，这里进 行的是相反的工作而已。脉冲放大后的具体形状与实际情况有关，如图( d ) 的良好 曲线与图( c ) 畸变曲线。这里只探讨其脉宽与中心波长的移动。由图可知，光强较 大时，中心波长变化较小。脉宽变化不明显，这是由于失谐放大抵消了增益饱和的脉 宽窄化作用口5 1 ，后沿的放大一点不弱于前沿，这也正是所期望的结果。 需要指出的是，pj 量级的出射光已接近y b 石英光纤的破坏阈值。也就是说，单 纯增大入射光强的作用是有限的。 华中科技大学硕士学位论文 t ( n s ) t ( n s )t ( n s )t ( n s ) 图4 4y d 队对不同光强高斯和超高斯脉冲响应曲线 t(ns)t(ns)t(ns) 图4 5y d f a 对不同谱宽的啁啾脉冲的放大特性 谱宽的影响： 根据前述模型计算了谱宽分别为8 n m 、1 2 r i m 及2 0 r i m 的高斯脉冲情况，结果如图 4 5 所示。8 n m 与1 2 r a n 的脉冲在入射