（光学专业论文）高功率大模场掺镱光纤放大器脉冲泵浦的研究.pdf

摘要 i 摘摘 要要 在稀土掺杂光纤放大器中，掺镱(yb3+)光纤放大器具有宽吸收谱、高能量转换效率、高饱和输出功率和高光束质量等优点，尤其适宜高功率放大输出，可以作为高能激光装置中的光脉冲放大系统。 此类系统通常要求输出光束具有高输出能量、高光束质量、高信噪比(snr)，高功率掺 yb3+光纤放大器是决定高能激光装置输出特性的关键参数。 但高功率光纤放大器中往往伴随有较大的放大自发辐射(ase)、非线性效应和饱和失真等问题，严重影响了放大器的信噪比、脉冲波形、 光谱和增益。 大模场面积(lma)光纤放大器的引入可以有效提高非线性阈值，逐渐成为高功率光纤放大器的发展趋势。然而，由于数值孔径不能无限减小，模场面积的不断扩展导致光纤中少模或多模的运转。 另一方面对于高能放大过程中如何有效抑制 ase 噪声问题，目前少有公认的有效方法。本文从 ase 产生机理出发，围绕如何在高功率大模场面积掺 yb3+光纤放大器中有效抑制 ase 噪声等问题展开理论研究，主要内容包括： 1. 提出在高功率放大器中采用脉冲泵浦方式，提高泵浦能量利用率，抑制ase 噪声，校正波形畸变等思想。详细阐述了脉冲泵浦方式的基本原理；建立了脉冲泵浦的理论计算模型，讨论了 ase 建立时间与泵浦功率的关系；研究了脉冲泵浦对 ase 的抑制和对信号时域波形畸变的校正作用；比较连续泵浦和脉冲泵浦方式下信号增益和 ase 噪声功率，对泵浦宽度、泵浦功率、信号延迟注入时间等关键参数进行优化。研究发现，与连续(cw)泵浦相比，脉冲泵浦光纤激光器泵浦能量利用率大大提高，可以有效抑制 ase；通过调节泵浦脉冲和信号脉冲的时间延迟，可以优化 snr，在本文设定的条件下，其对应的 snr 提高18 db；调节泵浦脉冲和信号脉冲的时间延迟亦可以校正信号波形畸变；对于级联放大情况，当前级输出信号携带一定的噪声入射到下一级放大器时，连续泵浦方式下信号增益大幅下降，而在脉冲泵浦方式中信号增益变化不大。 2. 将光纤截面模场分布函数和功率填充因子引入经典光纤放大器理论分析模型，对纤芯内模式竞争的物理机制进行了研究。将多模光纤中 ase 噪声的计算引入改进后的放大器模型，通过功率填充因子将经典与改进模型联系对应，对照了两种方法下信号增益及 ase 的输出结果。研究发现，填充因子相同时两种模型信号输出功率接近；不同模式对应不同填充因子，并显著影响该模式信号光输出功率，填充因子是表征不同模式在竞争中强弱地位的有效指标。改进前后的放大器模型在计算放大信号功率时差异较小，而在计算 ase 功率时差异较大。 摘要 ii 3. 研究大模场面积增益光纤结构参数对光纤放大器性能的影响。从光纤模式理论出发，根据建立的大模场面积光纤放大器理论模型，计算了增益介质掺杂分布对模式竞争的影响，同时计算不同掺杂分布时放大器的信噪比。研究发现均匀集中掺杂 40%左右范围信噪比最高， 信噪比随增益介质掺杂范围的增大而显著降低，增益介质集中掺杂有利于高阶模的抑制，均匀集中掺杂比例 60%70%对于基模选择最有利。 关键词：关键词：高功率放大；掺 yb3+光纤放大器；大模场光纤；脉冲泵浦；ase 抑制；功率填充因子；信噪比；模式竞争 abstract iii abstract among the rare-earth-doped fiber, ytterbium (yb)-doped fiber amplifiers are ideal for high-power amplification because of a broader gain bandwidth, a broader range of possible pump wavelengths, higher pump efficiency, high saturation output power and excellent beam quality. in practical application, the optical pulse generating system of high energy laser facility also require high energy output, good beam quality, high signal-to-noise ratio (snr). they were determined by the yb3+ doped fiber amplifier. however, the amplified spontaneous emission (ase), nonlinear effect and saturation distortion became serious especially when the output power of amplifier was quite high, which had bad effect on the snr, pulse waveform, signal spectral and signal gain. the introduction of large-mode-area (lma) fiber in fiber amplifier is a promising method to increase the nonlinear threshold. as the numerical aperture (na) of fiber cannot unlimited decrease, more than one mode could exist in lma fiber. meanwhile, there is not a widely accepted effective method for ase suppression in high power fiber amplifier, to the best of the authors knowledge. in this paper, the theoretical study on high power lma yb3+ fiber amplifier is presented. the main work is as follows: 1. pulsed pump is proposed to increase the pump energy efficiency, suppress the ase and correct the waveform deformation of the amplified signal. the basic principle of pulsed pump is presented. based on the transient propagation-rate equation of fiber amplifier, the correlation between ase built-up time and pump power is studied; ase suppression under pulsed pump is obviously observed and the waveform deformation is corrected. key parameters are optimized such as the width of pump, the energy of pump, and the delay time of signal injection after the pump. compared with cw pump, pulsed pump can increase the energy efficiency and suppress ase obviously. the snr can be optimized by adjusting the delay time of signal injection. under certain condition, we got 12 db suppression of ase, 18 db improvements of snr and significant waveform correction. for the cascade amplifiers, when the amplified signal from the front amplifier took with noise, the gain in the next amplifier decrease quite a lot under cw pump while it is almost remain the same under pulsed pump. abstract iv 2. transverse mode distribution and filling factor are introduced in propagation-rate equations. an approximate numerical algorithm by multilayer method is presented to calculate the power of amplified signal and ase in multimode fiber amplifiers. numerical results of the propagation-rate equations before and after the improvement of classical model are compared. it shows that the power of amplified signal is more or less the same with two models, yet the ase powers differed more as propagating along the fiber. power filling factor is the key indication to describe the transverse mode competition behavior. 3. the large-mode-area active fibers in different dopant profiles are studied respectively and its effect on transverse multimode competition is presented. power filling factor is the key indication to describe the transverse mode competition behavior. meanwhile, the snr under different flat doping confinement is also plotted in a curve. the results showed that 60%-70% confinement of flat doping is more helpful in high-order mode suppression. ase significantly dropped when the ions are doped more concentrated in the fiber core and the snr got highest when the confinement of flat doping on 40%. key words: high power amplification; yb3+ doped fiber amplifier; large-mode-area fiber; pulsed pump; ase suppression; power filling factor; signal-to-noise ratio; transverse multimode competition. 目录 vii 图目录图目录 图 1. 1 双包层光纤激光器结构原理图. 4 图 2. 1 yb3+的能级结构 . 9 图 2. 2 yb3+的四能级结构 . 9 图 2. 3 锗硅铝酸盐玻璃中 yb 粒子吸收和发射截面 . 11 图 2. 4 掺镱光纤放大器结构示意图. 13 图 3. 1 脉冲泵浦掺 yb3+光纤放大器结构示意图 . 20 图 3. 2 信号增益和 ase 功率随泵浦能量的变化 . 21 图 3. 3 信号放大和 ase 建立过程 . 23 图 3. 4 不同泵浦脉宽时信噪比随延迟时间的变化. 24 图 3. 5 信号功率和 ase 功率随延迟时间的变化 . 25 图 3. 6 脉冲泵浦放大中增益和信噪比随延迟时间的变化. 26 图 3. 7 连续泵浦和脉冲泵浦方式下 ase 功率比较 . 26 图 3. 8 延迟时间不同时信号波形的变化. 29 图 4. 1 多环法示意图. 36 图 4. 2 lp01模和 lp11模在纤芯截面内功率归一化分布 . 38 图 4. 3 信号功率填充因子随单元环的变化. 39 图 4. 4 单层法和多环法 ase 输出对照 . 39 图 4. 5 信号功率和 ase 功率随光纤长度的变化 . 40 图 4. 6 光纤出射端面上能级离子数分布. 42 图 4. 7 几种典型的掺杂分布. 43 图 4. 8 不同 yb3+掺杂分布时 lp01 模和 lp11模功率沿光纤分布 . 44 图 4. 9 不同 yb3+掺杂比例时信号填充因子的变化 . 45 图 4. 10 模式竞争中信号输出功率随 yb3+掺杂比例的变化 . 45 图 4. 11 不同 yb3+掺杂分布时 ase 输出功率的变化 . 46 图 4. 12 不同 yb3+掺杂分布时信噪比变化 . 46 目录 viii 表目录表目录 表 2- 1 掺 yb3+光纤放大器数值模拟参数 . 17 表 3. 1 连续泵浦和脉冲泵浦方式下信号放大功率和 ase 功率数据表 . 27 表 4. 1 lp 模色散方程 . 35 表 4. 2 大模面积掺镱光纤放大器数值模拟参数. 38 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第一章 绪论 1 第一章 绪论第一章 绪论 高功率光纤放大器由于在工业、医疗、军事等领域有重要作用，近年来逐渐成为激光领域的研究热点。目前，高功率光纤放大器的研制是发展有源光纤器件的重要课题之一。 随着功率的提升， 非线性效应和光损伤等不利因素进一步显现，限制了单根光纤高功率激光输出。采用大模场面积(large mode area, lma)光纤可以提高光纤放大器的非线性阈值，是进一步提高功率输出的有效解决办法1。为得到高功率、高光束质量的激光输出，引入主振荡器加功率放大器(master-oscillator power amplifier, mopa)结构2-3。在高功率 mopa 系统的主放大级中，通常选择高掺杂 lma 增益光纤，所需光纤长度较短。mopa 技术采用性能优良的小信号作为种子源， 种子激光注入单级或多级光纤放大系统中实现高功率放大。光纤放大器(主放大级)是 mopa 系统的核心部分，其性能直接决定最终输出激光功率高低和光束质量的优劣。 1.1 光纤放大器的分类光纤放大器的分类 光纤放大器的研制始于 20 世纪 80 年代， 世界第一个掺铒光纤放大器出现在1986 年，它研制的目的是减少光纤通信中继站数目、延长光通信距离，它的波长处于第三通信窗口，具有高增益、低噪声等一系列优点。在 20 世纪 90 年代，掺铒光纤放大器飞速发展，随着对光纤放大器的需求不断扩展，掺杂离子的研究范围也在逐步扩大，陆续展开了对掺镱、掺钬、掺镨、掺铥等放大器的研究和应用，可实现光功率放大、光前置放大、光中继放大以及光孤子脉冲放大。光纤放大器可有多种分类方法： (1)按照放大机制分类 根据放大机制的不同光纤放大器可以分为两类，一类是稀土掺杂光纤放大器，一类是非线性光纤放大器。 a.稀土掺杂光纤放大器 光纤制作时，采用特殊的工艺，将铒、铷或镨等稀土离子掺入光纤芯层。受到泵浦光激励后，光纤中的掺杂离子跃迁至亚稳定的较高激发态，信号光子入射后，将诱导产生受激辐射，辐射出的光子与入射光子具有相同的波长和相位，形成信号光的相干放大。这种光纤放大器的实质是一种特殊的激光器，它的泵浦光源可以采用半导体激光器，工作腔是一段稀土粒子掺杂光纤，掺杂元素不同，其第一章 绪论 2 能级结构和发射谱也不同，选择不同掺杂元素可使放大器工作在不同窗口。目前工作在两个低损耗窗口分别是 1.55m 波段和 1.31m 波段4。 掺铒(er3+)光纤放大器(edfa)是 90 年代后发展起来的一种新型光纤通信用器件。它工作在 1.55m 窗口，该窗口的光纤损耗系数比 1.31m 窗低，仅0.2db/km。 当光在长距离传输时， 其幅度会受到衰减， 波形也会出现失真。 因此，在长距离光纤通信中需要在光信号传输一定距离后加中继器，以放大衰减的信号，使光脉冲得到再生。掺铒光纤放大器的研制成功,标志着光纤通信技术进入了一个崭新的发展阶段。 掺镨(pr3+)光纤放大器(pdfa)实现了 1.30m 波段的放大， 对现有光通信线路的升级和扩容有重要的意义。 近年来， 在 gegas 系玻璃中掺 pr3+已经取得了 70%以上的量子效率5。目前研制出的 pdfa 具有高增益、低噪声的优点，但是它的增益对温度敏感，热稳定性不好，离实用还有一段距离。掺镱(yb3+)光纤放大器(ydfa)的工作波长为 1083 nm、1053 nm 等特殊波段，通常应用于功率放大、光纤传感器中的小信号放大、自由空间光通信和超短脉冲啁啾放大等领域。掺钬(h03+)光纤放大器使用 ar3+激光器对氟化物光纤泵浦实现了 1380 nm 的激光输出6，但仍处于实验室研究阶段。 b.非线性光纤放大器 非线性光纤放大器是利用光纤中的非线性效应对信号实现光放大的一种激光放大器，它又分为非弹性散射放大器和参量放大器。当光纤中功率密度达到一定阈值时，将产生受激布里渊散射(sbs)或受激拉曼散射(srs)，产生信号光的相干放大，可相应分为布里渊光纤放大器(fba)和拉曼光纤放大器(fra)，它们都属于非弹性散射放大器一类。 光纤参量放大器是依靠光纤中的四波混频效应进行光信号的放大。光学参量放大不是基于粒子数反转，它可看作是泵光与信号光及闲置光反复差频的结果7。 (2) 按照时间特性分类 按照被放大光信号的脉宽0及工作物质驰豫时间的相对大小， 光纤放大器分为三类：连续光纤放大器、脉冲光纤放大器和超短脉冲光纤放大器。我们把某种状态的建立或消亡的过程称为驰豫过程，所需的时间称为驰豫时间。在激光工作物质中存在着由各种物理因素引起的驰豫过程。 由于辐射跃迁的粒子在上能级寿命有限，因此导致反转粒子数的增长与衰减需要一定的时间，它被称作纵向驰豫时间 t1。由于宏观感应电极化的产生和消亡都不是瞬时的，滞后的时间称作横向驰豫时间 t2。在电磁场作用下，工作物质中一部分原子的电偶极矩逐渐有序化，产生宏观感应电极化强度。宏观感应电极化消失与消相过程有关。消相过程是指粒子与管壁间和粒子间的碰撞以及晶格振动引起粒子跃迁频率的变化， 使原第一章 绪论 3 子感应电矩的相位由最初与电磁场同相到后来发生无规则变化， 导致宏观感应电极化消失。在气体中消相过程与平均碰撞时间1有关。电磁场停止作用后，宏观感应电极化在在消相过程中逐步消失。在碰撞加宽为主的气体工作物质中，2111/t =。在多普勒加宽为主的气体工作物质中，不同速度的原子产生的感应电矩具有不同的频率，经过一段时间后，相位相差。与这一消相过程相联系的驰豫时间21/ 2dt=。对于固体、气体和半导体工作物质，纵向驰豫时间t1分别为10-310-4 s、 10-610-9 s和10-9 s量级， 横向驰豫时间分别为10-1110-12 s、10-810-9 s 和 10-13 s。 当光纤放大器输入的是连续信号或为长脉冲信号，例如非调 q 激光脉冲，此时一般满足条件0t1。当光信号与工作物质相互作用时间足够长时，因受激辐射而消耗的上能级粒子数可以及时由泵浦抽运补充， 因此腔内光子数密度及上能级粒子数可以达到稳态数值，近似的认为上能级粒子数密度不随时间变化，即( , ) /0n z tt =，也就是说反转粒子数密度只与工作物质的坐标有关，即( , )( )n z tn z= 。这样就可以使用稳态方法来研究放大过程。这类放大器称为连续光纤放大器或长脉冲光纤放大器，此类放大器的理论分析较简单。 当输入信号脉冲宽度满足条件 t20t2的条件，因此粒子和光波场相互作用的驰豫过程可以不予考虑。在 t2期间内输入信号幅度变化很小，粒子在光场的作用下产生的感应偶极矩所需要时间 t2可以忽略，因而可以认为是无滞后效应的。由于速率方程无法考虑粒子和光场的相位关系， 只有在可以忽略相位的情况下才能够适用。所以速率方程理论只适用于连续光纤放大器和脉冲光纤放大器。 对于锁模激光器产生的脉宽0为 10-1110-14 s 的超短脉冲信号，0和 t2可以比拟，对于此类信号的放大称为超短脉冲放大。超短脉冲通过放大介质时，相干作用使其产生一系列新的现象。例如在介质中产生光学孤子，吸收介质中产生自感透明效应，并产生稳定的脉冲或 2脉冲。光脉冲在传输过程中，在本身能量得到放大的同时，还会受到自相位调制、色散、增益饱和以及增益窄化等效应影响，目前已建立多种物理模型来研究超短脉冲在放大系统中的传输特性8-10。 (3) 按光纤结构分类 按光纤结构来分光纤放大器可分为单包层光纤放大器和双包层光纤放大器。双包层光纤(如图 1. 1 所示)由纤芯、内包层、外包层、保护层四部分组成。纤芯第一章 绪论 4 掺杂稀土元素，通常有几个微米，是信号光放大的通道，对信号波长为单模；内包层由 sio2组成，是泵浦光的通道，对泵浦光波长为多模传输，为了高功率运转，内包层的尺寸应尽可能地大，一般大于 100 m。它的直径比纤芯大得多，折射率比纤芯小，保持大的数值孔径，这样能提高收集泵浦光的能力。外包层由折射率比内包层小的材料构成；保护层由硬塑料包围，起到保护光纤的作用。泵浦光进入截面较大的内包层， 在内包层中内不断反射并多次穿越纤芯被掺杂离子吸收。合理设计内包层的结构和材料，可以使泵浦光的耦合效率和吸收效率都大大提高，可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵浦，保证了激光近光束质量近衍射极限的情况下的高功率输出。 图 1. 1 双包层光纤激光器结构原理图 (4) 按泵浦时域特性分类 按泵浦时域特性可分为连续(cw)泵浦光纤放大器和脉冲泵浦光纤放大器。泵浦光连续存在的光纤放大器中，信号光可以为连续信号，也可以为脉冲信号。对于信号光为脉冲的情况，放大器可以采用脉冲泵浦的形式，令泵浦持续时间与信号注入时间具有一定的同步特性。脉冲泵浦可以有效提高泵浦能量利用率，并能显著抑制自发辐射的放大(ase)11。 1.2 稀土掺杂光纤放大器概述稀土掺杂光纤放大器概述 1987 年英国南安普顿大学12以及美国贝尔实验室首次证明了掺铒光纤放大器的可行性，以铒作为增益介质得到了光纤通信中光信号的放大，稀土掺杂光纤放大器逐渐成为研究热点。这种光纤放大器的机制是在光纤中掺杂稀土元素(er3+，pr3+，tm3+，nd3+，yb3+)引起稀土离子的激发实现光放大。最早研究的掺er3+光纤放大器工作波长恰好位于光纤通信的最佳波长区， 范围在1.311.55m，增益较高，所需泵浦功率较小，整个光纤放大系统中的耦合损耗和噪声较低，因此广泛用于光通信系统中的中继放大以及发射机的功率放大和接收机的前置放大13。 第一章 绪论 5 随着研究的不断深入，越来越多稀土元素的特性被挖掘出来并很快用于实用性研究。例如工作波长在 1064 nm 附近的掺 nd3+光纤放大器14-15，工作波长在 1400 nm的掺tm3+光纤放大器16。 由于掺yb3+光纤具有从975 nm-1200 nm的款发射谱，并且具有宽的吸收谱，从业降低了放大器对泵浦线宽的要求17。 与固体和气体激光放大器相比， 光纤放大器具有结构灵活、 损耗小、 效率高、散热性好等优点。稀土掺杂光纤放大器还具有增益高的特点，与其他光纤系统相比所使用的光纤较短，因此备受青睐。但是一直以来由于高功率、多模的泵浦光耦合到普通单模光纤中的效率低， 所以常规单模单包层光纤放大器的输出功率被限制在几十毫瓦量级水平。1988 年美国 polaroid 公司提出了双包层光纤和包层泵浦技术，使得泵浦转换效率大幅提高，开创了高功率放大的新局面。 1.3 高功率掺高功率掺 yb3+光纤放大器的研究光纤放大器的研究 在稀土掺杂光纤中，掺 yb3+光纤是高功率放大的理想材料。掺 yb3+放大器增益谱较宽(150 nm)，吸收谱也很宽，泵浦范围可从 860 nm 延伸到 1064 nm 波段，同时具有高的泵浦转化效率和高光束输出质量等优点18。光纤放大器把高功率、高增益、高效率与结构紧凑、灵活的优点结合起来, 在科研和军事等领域有重要应用。最初的掺 yb3+光纤放大器利用单模掺杂光纤作为增益光纤，这种光纤直径为 46m，容易产生非线性效应和损伤，限制了放大器功率的提高。1988 年 sinter 等人提出了双包层光纤和双包层泵浦的思想19， 使掺 yb3+光纤放大器和激光器的输出功率大大提高。由于数值孔径较大，高功率放大时容易出现受激布里渊散射(sbs)， 受激拉曼散射(srs)， 自相位调制(spm)和四波混频(fwm)等非线性效应，严重影响了放大器输出的信噪比、脉冲波形、光谱和增益。近年来，除了把掺 yb3+双包层掺杂光纤作为增益光纤以外，研究者们还引入大模场掺 yb3+光纤和光子晶体光纤。模场面积的增大可以有效降低功率密度，提高非线性阈值，减小非线性损伤。目前大模场掺 yb3+光纤放大器主要集中在 mj 级脉冲能量、高峰值功率输出的理论和实验研究。 理论研究和数值模拟是配合指导实验研究的重要手段，关于掺 yb3+光纤放大器的理论研究也有了十多年的历史。1997 年，rudiger paschotta、amos hardy和 ram oron 等人建立了掺 yb3+光纤放大器稳态模型， 并在随后的研究中不断完善。详细描述了放大过程中信号增益和自发辐射的放大(ase)，分析了包层泵浦光纤放大器中非线性问题，在研究过程中考虑了瑞利散射，指出了对应波长发射截面和吸收截面的求解方法，给出了近似的数值研究结果，是研究掺 yb3+光纤第一章 绪论 6 放大器的经典之作20-23。2003 年，yong wang 等人在功率传输方程中引入时域有限差分方法，建立了高功率掺 yb3+光纤放大器的动态模型，对 khz 重复频率的纳秒级脉冲的放大情况进行了研究，给出了脉冲功率、ase 功率、上能级粒子数分布和脉冲波形演化等相关结果24，研究了前向、后向和双向泵浦情况下的不同放大结果25；liping chang 等人也作了高功率掺 yb3+光纤放大器动态特性的数值研究26。j. limpert 等人在 2002 年开始研究在多模放大器中利用增益损耗控制方法(glm)抑制高阶模27-28， 2006 年 m.hotoleanu 等人开始研究在大模场光纤中控制稀土离子掺杂分布， 进而达到抑制高阶模的作用29。 2007 年，mali gong 等人对于大模场光纤中的模式竞争和耦合问题进行研究30。上述理论研究中无论光纤放大器其泵浦方式均为连续泵浦(cw)，对于脉冲泵浦放大器的动态特性少有涉及。在多模放大的理论研究中，并没有对高功率光纤放大器中较为重要的 ase 噪声和信噪比问题进行计算。 实验方面主要采用掺 yb3+双包层光纤、大模场光纤或光子晶体光纤实现高功率输出，近十年来取得了较大进展。2001 年南安普顿大学 c.c.renaud 等人实现了衍射极限下 50 ns 光脉冲输出， 输出能量达 4 mj31。 同年， a. galvanauskas在 50 m 增益光纤中实现了 1.2 mj 衍射极限光脉冲输出，脉宽 800 ps。利用多模增益光纤可以实现更高能量的输出。2004 年 ming-yuan cheng 等人采用级联放大器实现高能量输出。该放大器有四级，前两级是单模光纤放大器，第三级是芯径 50m 的双包层放大器，最后一级是 200 m 纤芯直径的多模双包层放大器。对 4 ns 的脉冲放大后峰值功率达 2.4 mw，单脉冲能量接近 10 mj；对 50 ns脉冲放大后单脉冲输出能量27 mj， 500 ns脉冲放大后的单脉冲能量达82 mj32。该系统输出能量高，但缺点是光束质量不理想。 这一领域的研究中，国内水平与国外相比仍有较大差距。对于高功率大模场掺yb3+光纤放大器的理论研究尚未全面， 对于高能放大过程中如何有效抑制ase噪声问题，目前少有公认的有效方法。 1.4 本文主要内容本文主要内容 本论文共分为五章。 第一章绪论。首先将光纤放大器的分类，划分按照放大器机制、时间特性、光纤结构和泵浦时域特性进行， 本文所研究的放大器分别对应这四类中的稀土掺杂、脉冲放大、双包层光纤和脉冲泵浦光纤放大器。其次对本文研究的稀土掺杂光纤进行了介绍。最后阐述了国内外高功率掺 yb3+光纤放大器的研究进展。 第一章 绪论 7 第二章对掺 yb3+光纤放大器进行了理论分析。介绍了 yb3+能级结构和光谱特性，给出 yb3+的速率方程；完善了掺 yb3+光纤放大器的理论模型，分别讨论了稳态、瞬态和多模放大器模型，给出各自的适用条件；给出后文计算中涉及的关键参数。 第三章对高功率脉冲泵浦掺 yb3+光纤放大器进行了数值分析。从经典光纤放大器理论模型出发。对信号放大及 ase 建立过程的动态特性进行了模拟，讨论了 ase 建立时间与泵浦功率的关系，提出用脉冲泵浦方式抑制高功率光纤放大器中的 ase 噪声问题。比较连续泵浦和脉冲泵浦方式下信号增益和 ase 噪声功率，对泵浦宽度、泵浦功率、信号延迟注入时间等关键参数进行优化。 第四章在经典光纤放大器理论分析模型中引入光纤截面模场分布函数和功率填充因子，对纤芯内模式竞争的物理机制进行了研究。将多模光纤中 ase 噪声的计算引入改进后的放大器模型，对照了放大模型改进前后信号增益及 ase的输出结果。同时研究大模场面积增益光纤结构参数对光纤放大器性能的影响，计算了增益介质掺杂分布对模式竞争的影响， 同时计算不同掺杂分布时放大器的信噪比。 第五章全文总结与展望。 第二章 掺 yb3+光纤放大器理论分析 8 第二章 掺第二章 掺 yb3+光纤放大器理论分析光纤放大器理论分析 2.1 yb3+光纤放大器理论基础光纤放大器理论基础 2.1.1 yb3+能级结构能级结构 光纤放大器中掺杂的稀土离子种类很多， 例如 er3+、 yb3+、 nb3+、 ho3+、 tm3+等。与其他稀土离子相比，yb 离子的能级结构相对简单，只有基态2f7/2和激发态2f5/2两个电子态，间隔较远，约 10,000 cm-1，对应于激光波长约 1m。因此不同能级间难以发生无辐射交叉驰豫33。当 yb 离子掺入石英中后，由于基质材料电场分布不均， 导致声子加宽产生明显的斯塔克(stark)效应， 此时2f5/2和2f7/2分别分裂成三个和四个子能级18。yb 离子更高的 5d 壳层电子从 100,000 cm-1开始。与其他的稀土离子不同，yb 离子没有另外 4f 电子态，因此 yb 离子不存在激发态吸收、荧光上转换、浓度猝灭等效应，这些是影响 yb 实现高掺杂的重要因素。应用中可将 yb3+掺入固体和光纤材料中作为激光工作物质，或与其他元素共掺作能量传递介质，例如 er3+。yb3+吸收泵浦能量后将其传递给能级接近的其他受主离子。 在室温下并非 yb3+的所有能级都能参与跃迁，激发态2f5/2中的子能级 e 先是无辐射跃迁至2f5/2中的子能级 d，由2f5/2中的 d 子能级向基态2f7/2可发生两种跃迁：波长 975 nm 对应图 2.1 中的 a 过程，为三能级跃迁；波长 1000 nm 到1200 nm 对应图 2.1 中 b 过程， 为四能级跃迁。 四能级系统泵浦将基态 e0的粒子激发到 e3，激发到 e3的粒子迅速无辐射跃迁至 e2，粒子在 e2能级寿命较长，粒子不断积累实现 e2与 e1能级的粒子数反转，所以 e2又叫激光的上能级，e1对应子能级 b，室温下其粒子数分布占整个基态粒子数约 4%，对应四能级系统的下能级34-35。 第二章 掺 yb3+光纤放大器理论分析 9 图 2. 1 yb3+的能级结构 图 2. 2 yb3+的四能级结构 2.1.2 yb3+光谱特性光谱特性 吸收截面 a()可由实验方法来测定，即在泵浦波长和信号波长上测量材料的吸收系数。发射截面 e()不能由发射(荧光)谱直接得到，通常只能在任意的功率单位下测量。此外，对其荧光分析表明，它常常与信号吸收谱的形状不吻合，这是因为能级 i 和 j 的简并度存在差异的缘故，即每个能级还分裂成一些精细的结构(stark 分裂)，这种结构还与非均匀加宽效应联系在一起36。在 yb3+的吸收和发射截面中体现了其作为三能级系统和四能级系统的两种结构特性。图2.3(a)(b)给出了锗硅铝酸盐玻璃中 yb3+的发射和吸收截面， 其中(a)图光谱范围在850 nm-1150 nm，将吸收截面 1000 nm-1100 nm 范围单独画在图(b)中18。从图第二章 掺 yb3+光纤放大器理论分析 10 中可以看出 yb3+在波长 910 nm 和 975 nm 处分别对应一个吸收峰，比较来看，910 nm 处的吸收峰吸收系数较 975 nm 处小，但谱宽较宽。宽吸收谱有利于 yb3+做敏化离子将吸收能量传递给其他掺杂离子，er-yb 共掺放大器就是利用这个原理37。 在 975 nm 处的吸收峰吸收系数较大， 但谱宽较窄。 图中还可以看到 yb3+在 975 nm 和 1036 nm 分别有一个吸收峰。下面比较四种具体情况。 a910 nm 泵浦，工作波长 975 nm 泵浦波长在 910 nm 时可以在较短光纤长度内得到 975 nm 工作波长较大放大。原因之一是 yb3+975 nm 波段有很大的发射截面，另一个原因是 910nm 泵浦时，大部分 yb3都能被激发到上能级，限制放大器增益的原因是会产生较大的ase。 b910 nm 泵浦，1000 nm-1150 nm 波段放大 1000 nm -1150 nm 波长范围内有一个 1030 nm 附近的发射峰， 此范围内中包含几个重要波长，如 1047 nm 和 1053 nm (nd: ylf)，1064 nm (nd: yag)，1083 nm(亚稳态氦光谱研究)。910 nm 强泵浦可以使 yb3+达到 97%激发，达到极大增益，但由于 975 nm 位置的强发射峰，导致该波长附近的 ase 很大，限制了更长波段范围内的增益。可以采用在光纤端面镀膜，ase 增透，而信号光部分反射，在放大器中多次放大， 提高增益。 另外一种方法是是添加 er3+， er3+恰好在 975nm附近存在吸收峰，利用此吸收 yb3+在 975 nm 波段产生的 ase。 c. 975 nm 泵浦，1000 nm-1150 nm 波段放大 有效避开 975 nm ase 的最好办法将泵浦波长恰好设在 975 nm。但是由于975 nm 波段同时对应吸收和发射截面的峰值，因此这个波段属于典型的三能级系统， 达到粒子数反转需要较强泵浦， 且增益约为 1030 nm 或更长波长位置处的一半左右。 ase 更多来自 1030 nm 附近。 可以考虑在放大器中加入 ase 滤波器，或者 b 中的端面镀膜的方法来抑制 ase。 d. 1047 nm 或 1064 nm 泵浦，1100nm 附近放大 虽然 yb3+在 1047 nm( nd: ylf)和 1064 nm (nd: yag)波长吸收截面较小， 但依然可以作为更长波段信号光的泵浦源。 但由于此波段发射截面比吸收截面大的多， 被激发的上能级离子数较低， 1047 nm 泵浦时 3.4% 离子被激发， 而 1064 nm泵浦时 1.7%离子被激发。饱和功率不高。 第二章 掺 yb3+光纤放大器理论分析 11 图 2. 3 锗硅铝酸盐玻璃中 yb 粒子吸收(实线)和发射(虚线)截面 2.1.3 yb3+的速率方程的速率方程 图 2. 2 所示，四能级系统泵浦过程中是将基态的粒子激发到泵浦态，即由e0泵浦到 e3， 激发到 e3的粒子无辐射跃迁， 短时间内迅速转移到亚稳态能级 e2。由于粒子在 e2能级寿命较长，使得粒子数在 e2能级逐渐积累，与激光下能级 e1形成粒子数反转。 当考虑自发辐射时， 四能级系统的速率方程如下18, 34, 38-39： 33033()papepdnninndt= (2-1) 32201223()sasasesndnninnndt=+ (2-2) 31121212131()sasesndnnni nndt= + (2-3) 其中2、3分别为亚稳态能级和泵浦能级的驰豫时间，由下式表示 第二章 掺 yb3+光纤放大器理论分析 12 22021111=+ (2-4) 33031321111=+ (2- 1) 其中 n0、n1、n2、n3分别表示基态、亚稳态低能级、亚稳态高能级以及激发态的粒子数密度， n 为总粒子数密度。 es和 ep为泵浦光和信号光的发射截面，as和 ap为泵浦光和信号光的吸收截面，*as为激光下能级对信号光波长的吸收截面。ip和 is分别为泵浦光、信号光的光强；ij表示从能级 i 到能级 j 辐射驰豫时间和非辐射驰豫时间。吸收截面和发射截面以及驰豫时间与粒子掺杂有关，在不同基质材料中大小不同。 在信号场存在的情况下发生受激发射，其速率正比于信号的光强，同时正比于单位体积内发射到该能级的粒子数与从该能级跃迁至其他能级粒子数之差。 受激发射是一个相干过程。由于受激的情况下所释放的能量转换为受激光信号，信号因此放大。当四能级系统被简化为理想的二能级系统后，设上下两能级粒子数密度分别任 n2和 n1。离子产生受激发射的总速率应为向上和向下受激跃迁速率之差。 2212122()()papepsasesdnninninndt=+ (2- 2) 2.1.4 光纤放大器中信号的传播光纤放大器中信号的传播 在行波放大器中泵浦和信号的传播特性可分别由下面两式描述。式中( )sp z表示信号功率，( )pp z表示泵浦功率，正负号由信号与泵浦光波同向或反向来决定。泵浦功率直接影响上下两个能级的粒子数 n2和 n1，进而影响信号增益。通常情况下无法得到信号沿光纤分布的解析解，可以采用数值解进行描述。 21( )( )( )( )pepappdp znzn zp zdz= (2- 3) 21( )( )( )( )sesassdp znzn z p zdz= (2- 4) 第二章 掺 yb3+光纤放大器理论分析 13 2.1.5 填充因子填充因子 填充因子代表泵浦和信号与掺杂离子作用的强弱，直接影响放大器中信号的增益水平和泵浦的能量利用率。因此在表征信号传播的微分方程式(错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。)和式(2- )中，泵浦和信号功率 pp与 ps前还应添加功率填充因子 p和 s才能更确切的描述光纤放大器中的物理过程。 根据传输方程模型的不同， p和 s可以为定值，也可以有一定的空间分布，这一点在下一节中有更详细的说明。 2.2 掺掺 yb3+光纤放大器理论模型光纤放大器理论模型 2.2.1 理论模型的基本假设理论模型的基本假设 功率传输方程是用于光纤放大器数值模拟的常用模型，它以光的自发辐射、受激辐射和受激吸收等概念为基础， 不考虑光子的相位特性和光子数的起伏特性情况下，由全量子化处理派生出来的，它比全量子化处理方法简单、方便。它能够同时计算信号和 ase 功率传输。由于 yb3+具有相对较宽的发射吸收截面，无法利用某一固定波长的发射吸收截面进行准确计算，因此采用全光谱分析法将ase 光谱划分为 m 个不同通道，每个通道的中心波长为 asem，m=1，2，m，并且每个通道的宽度记做 ，因为实际信号光的带宽s约为 0-2 nm，所以可取 =s，这样信号光和 ase 的传输方程就具有相同的形式。在此模型中做如下假设：将放大模型简化成二能级系统，忽略低能级受激吸收；入射端泵浦功率密度在包层内均匀分布；忽略离子浓度猝灭效应；只考虑单纵模情形。 图 2. 4 为掺镱光纤放大器结构示意图。 光纤长度为 l， 为消除光纤端面反射，将两个端面按一定角度切割；光纤两端分别放置一个分色镜，对信号光透射，对泵浦光反射；泵浦可以为前后两个方向，与信号方向相同的称为前向泵浦，与信号方向相反的称为后向泵浦，在具体计算中可以采用单向泵浦，也可以采用双向泵浦。 inputoutputdm1dm2z=0z=l 图 2. 4 掺镱光纤放大器结构示意图 第二章 掺 yb3+光纤放大器理论分析 14 2.2.2 稳态功率传输方程稳态功率传输方程 当放大器的泵浦光和信号光均为连续光时， 采用稳态的功率传输方程对其进行描述 20-21，具体形式见式(2- 3)-(2- 8)。式中 z 为光纤轴坐标，n 为光纤中掺杂yb3+密度， n1(z)和n2(z)分别为z位置处下能级和上能级yb3+密度； pp(z) 和ps(z)分别为 z 位置处泵浦功率和信号功率， pasem(z) 为 z 位置处波长 m 的 ase功率， “+”和“-”分别代表正反方向；ep(es)和 ap(as)为泵浦(信号)波长对应的发射和吸收截面，easem和 aasem是波长 asem的 ase 对应的发射和吸收截面；为 yb3+上能级寿命；p和 s为泵浦、信号和 ase 的功率填充因子；acore为纤芯面积；c 为真空中光速；h 为普朗克常数；p、s和 asem分别表示泵浦、信号和asem波长 ase 对应的频率；p、s和ase为