（光学专业论文）瓦量级铒光纤激光器及超荧光光源.pdf

( 1 ) c波段超荧 光光源利用高功率单程后向 饵镜共掺光纤放大器， 对低功率掺 饵超荧光进行放大， 得到功率1 . 1 6 w、 峰值1 5 6 1 n m、3 d b带宽约8 n m的超荧光 输出， 光一 光 转换效率3 2 %. 发现该光源中存在低功率的 种子源( 1 2 m w) 引 起激 光振荡， 而高功率的种子源抑制激光振荡的新现象， 并对其物理机制进行了探讨. ( 2 ) l 波段超荧 光光 源利用双程前向 饵德共掺光纤放大器， 对低功率的l波 段 种子源进行放大， 得到功率0 .9 4 w、光谱覆盖 1 5 6 0 - 1 6 1 5 n m的超荧光输出，光- 光转换效率2 1 %. 与c波段光源相比 ， 该l 波段光源完全抑制激光振荡所需的 种 子源功率较低， 更有利于实现高功率、 平坦的超荧光输出. ( 3 ) 峰值波长 可 调的 超荧 光光源由 种子源、 前置放大器和功率放大器三级构成， 中间插入滤波器进行波长选择， 得到大于 1 . 8 w超荧光输出， 为迄今为止见于报道 的1 . 5 5 a m波 段最 高功 率 值. 三、共振泵浦 l波段掺饵光纤激光器及超荧光光源 采用c 波 段的 激光器和超荧光光源分别作为 共振 泵浦源( 共振泵浦即利用1 .5 5 , m 附 近光直接将饵离子激发到其激光上能级 簇中 ) ， 深入研究了l波段激光器和超荧 光光源的特性，获得了创新性的研究成果. 1采用低功率的c波段激光器作为共振泵浦源， 对l波段掺饵光纤激光器基 本特性进行研究.发现即使采用后向泵浦结构也能得到很高的相对于a s e基底的 信噪比 .而且， 在泵浦波长从 1 5 3 0 n m变化到 1 5 5 0 n m的过程中， 激光器效率变化 不大， 证实了采用宽带源泵浦的可行性. 通过选择合适的 泵浦波长可有效抑制输出 光谱中的a s e成分， 从而提高信噪比 . 实验证明泵浦波长为1 5 4 5 n m时， 可同时获 得较高的 泵浦效率和较高的信噪比. 2 . 采用高功率的c波段超荧光光源作为共振泵浦源， 对线形腔掺饵光纤激光 器进行后向泵浦， 得到了1 . 1 9 w 的l 波段激光输出，为目 前全光纤 l 波段掺饵光 纤激光器最高输出 功率. 该激光器斜率效率 6 5 .3 %， 激光线宽和相对于a s e基底 的信噪比 分别为0 .0 8 n m和6 6 d b. ; 一 . . . . . . ， 3利用共振泵浦的双程后向结构掺饵光纤放大器，对低功率 l波段宽带光源 进行放大， 得到功率1 .0 1 w、 光一 光转换效 率5 4 % , mb带宽3 4 . 3 n m的高功率 宽带平坦超荧 光输出， 为1 . 5 5 p m波段超荧光光源中 首次同时实现瓦量级的高输出 功率和宽带平坦的输出光谱. 四、 掺饵光纤激光器自 组织相千合成 1 ， 提出并实 现一种支路滤波方案. 即: 在掺饵光纤激光器的自 组织相千合成结 构中， 将可调滤波器从马赫一 曾德尔干涉仪的合成臂移至其支臂中. 实验证明， 该 方案在保持输出 光谱质量不 变的前提下， 提高了 激光器的 输出 功率. 以 此为基础， 提出用小功率滤波器控制高功率激光器的多路合成新颖方案. 2首次研究了环形腔光纤激光器的相干合成， 得到高达 9 7 %的合成效率. 计 算证明， 环形腔光 纤激光器的 相千合成不仅可将功率相近的多路激光有效合成， 也 可以将具有不同输出功率和不同输出藕合比的光纤激光器有效地合成. 关键词 : 光纤激光器， 超荧光光纤光源， 共振泵浦， 腔结构，相干合成. ab s t r a c t t h e r e s e a r c h w o r k o f t h i s d i s s e r t a t io n f o c u s e s o n t h e e r b iu m - d o p e d fi b e r l a s e r ( e d f l ) a n d s u p e r fl u o r e s c e n t fi b e r s o u r c e ( s f s ) , w h i c h i s fi n a n c i a l l y s u p p o r t e d 场 t h e h i g h t e c h n o l o g y r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t p r o j e c t o f c h i n a u n d e r g r a n t n o . 2 0 0 3 a a 3 1 2 1 0 0 , a n d t h e k e y p r o j e c t o f t h e c h i n a n a t i o n a l n a t u r a l s c i e n ce f o u n - d a t i o n u n d e r gr a n t n o . 6 0 1 3 7 0 1 0 . t h e ma i n c o n t e n t s a r e a s f o ll o ws : 1 . t h e o r e t i c a l m o d e l i n g o f e d f l b a s e d o n t h e s t e a d y - s t a t e r a t e e q a t io n s a n d t h e p r o p o r g a t i o n e q u a t i o n s , w e g i v e n u m e r i c a l m o d e li n g r e s u l t s o n e d f l . t h e i n fl u e n c e s o f fi b e r le n g t h , o p t i c a l f e e d b a c k r a t i o a n d i n t r a c a v i t y l o s s o n t h e o u t p u t p r o p e rt ie s o f t h e e d f l a r e i n v e s t i g a t e d . a l s o , t h e r e s o n a n t l y p u m p e d l - b a n d e d f l h a s b e e n n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d f o r t h e fi r s t t i m e . t h e s l o p e e ff i c i e n c y a n d t h r e s h o l d p u m p p o w e r v a r i a t i o n w i t h t h e p u m p i n g w a v e l e n g t h i s s t u d i e d . i o n p a i r s in d u c e d p u m p i n g e f fi c i e n c y d e c r e a s e m e n t a n d i mb a l a n c e i s d i s c o v e r e d . 2 . wa t t - l e v e l e r b i u m- y t t e r b i u m c o - d o p e d fi b e r l a s e r a n d s f s ( 1 ) a l l fi b e r e r b i u m - y t t e r b i u m c o - d o p e d fi b e r ( e y d f ) l a s e r s in r i n g c a v i t y , l i n e a r c a v i t y a n d m o p a c o n fi g u r a t i o n s a r e c o n s t r u c t e d r e s p e c t i v e l y . t h e l a s e r s a r e s i d e p u m p e d场 a l a s e r d i o d e a r r a y t h r o u g h a t a p e r e d fi b e r b u n d l e . t h e o u t p u t p o w e r s o f t h e t h r e e l as e r s a r e a l l o v e r 1 w, w i t h s l o p e e f fi c i e n c i e s o f 3 3 % , 3 5 % a n d 3 0 % , r e s p e c t i v e l y . n o w a v e l e n g t h s e l e c t i n g c o m p o n e n t i s u t i l i z e d in t h e r i n g a n d l i n e a r c a v i t y l a s e r s . t h e l as i n g w a v e l e n g t h o f t h e m d e c r e a s e s w i t h a n i n c r e a s i n g o u t p u t c o u p l i n g r a t i o . t h e l a s e r b a n d w i d t h i n c r e as e s g r a d u a l l y w i t h p u m p p o w e r a n d a p p r o a c h e s 0 .5 n m a t h i g h p u m p p o w e r l e v e l s , i n d i c a t i n g t h e i n h o m o g e n e o u s b r o a d e n i n g p r o p e rt y o f t h e g a i n m e d i u m . v a n o p t i c a l t u n a b l e fi l t e r i s u t i l i z e d t o c o n t r o l t h e l a s i n g w a v e l e n g t h o f t h e e y d f l a s e r i n m o p a c o n fi g u r a t i o n , w h i c h e x h ib i t s a w a v e l e n g t h t u n i n g r a n g e f r o m 1 5 4 0 1 5 7 1 . 1 n m , a l a s e r b a n d w i d t h o f 0 .0 7 5 n m a n d a t u n i n g fl a t n e s s b e t t e r t h a n 0 . 5 d b ( 2 ) c - b a n d , l - b a n d a n d r e s p e c t i v e l y b y s e e d i n g h i g h t u n a b l e wa t t - l e v e l s f s s a r e c o n s t r u c t e d e y d f a mp l i fi e r s w i t h l o w e r p o w e r a m p l i fi e d s p o n t a n e o u s e m i s s i o n ( a s e ) s e e d s o u r c e s t o a v o i d r a y l e i g h s c a t t e r i n g o s c i u ati o n . l a s e r t h e c - b a n d s f s i s c o n s t r u c t e d i n a d u a l - s t a g e c o n fi g u r a t i o n . t h e fi r s t s t a g e i s a n a s e s e e d s o u r c e w i t h o u t p u t p o w e r a b o u t 3 0 m w in t h e c b a n d . t h e s e c o n d s t a g e i s a b a c k w a r d p u m p e d h i g h p o w e r e y d f a m p li fi e r . t h e c - b a n d s f s p e a k s a t 1 5 6 1 n m w i t h a - 3 d b b a n d w i d t h o f m 8 n m , a n o u t p u t p o w e r o f 1 . 1 6 w a n d a n o p t i c a l c o n v e r s i o n e ff i c ie n c y o f 3 2 % . a lo w p o w e r ( 5 .5 x 1 0 m - ) ， 还 会 形 成 离 子 簇6 3 1 ， 导致效率进一步降低. 不过， 在低掺杂光 纤中， 不必考虑离子对( 儿) 和离 子簇的 影 响. 在一般中 等掺杂浓度下， 只考虑离子对( 儿) 带来的 影响 亦可获得足够高的 精度 119 1 . 此处 ， 我 们 考 虑光 纤中 的 离 子 对( 儿 ) ， 而 忽 略 离 子 簇. 假 设 光 纤中 形 成 离子 对( ) 助的饵离子所占比 例 为p ， 则单一离子所占比 例为1 一 p ， 于是有: n = ( 1 一p ) n t n p = p n ( 2 . 1 a ) ( 2 . 1 b ) 其中n s 、n p 、n分别表示单一离子、 离子对( 儿 ) 和总离子浓度. 将掺饵光纤看作是一个均匀展宽的 二能级系 统， 并假设单一离 子与离子对( 儿) 具 有 相 同 的 吸 收 、 发 射 截 面 和自 发 辐 射 几 率64 1 ， 则 单 一 离 子 与 离 子 对(u l ) 的 稳 态 1 0 q 2 理论模型 速率方程可分别写成侧 d 脚( : )d 鳄( z ) d t d t = - w( 二 ) n i ( z ) +( w , ( z ) + a n 2 ( z ) ( 2 . 2 a ) d 衅( : )d 衅( z ) d t d t = 一 叽( : ) 衅( : ) + w 5 m ) ， 情况刚好相反， 这在下一小节中 会有比 较详细的研究. 在腔损耗 和反馈藕合比 一定的前提下， 增益 光纤必须达到一 定长度才能产生激光振荡( 即97 . 54 0 ) . 而且， 这一最小光纤长度随 腔损 耗的 增加而 增加， 随反 馈根合比 的增加而减小， 从 这一最小光纤长度开始 逐渐增加 增益光纤的 长度， 激光器斜率效率急剧上升， 在6 m左右达到一较高值， 此后继续增加光纤长 度， 斜率效率略有下降， 但变化很小. 七 . . . . 旧脚 而p 日向二 “，. 阅，七 . 出 . . 川p . . p 目冷ro 0m 勿钾洲9 阵不s t 0 8 - t=7ub_.t=sab ! 一t-. 一 2石石尸乙叭巳 (成8乙产 少 晰娜， 图 2 5 : 仁 亡 解 如明 帅) 针率效率随光纤长度的变化 e . 叭 ”闭口 川 p曰门 月 翻 心 宝吮 阅， 翻”匀朽必节 墓 ，1 0 拼 相峭 肠万 m) 图 26 : ， 52 1 各澎读议。 闷值功率随光纤长度的变化 第二章 掺饵光纤激光器的 理论模拟 二、光纤长度对闭值的影响 闭 值功率的演变情况如图2 .6 所示. 图2 . 6 ( a ) 和( b ) 中不同的曲 线分别对应于 不同的谐振腔损耗和激光反馈藕合比 . 从图中可以看出， 腔损耗越大， 反馈藕合比 越小， 则闽 值功率越高. 在腔损耗和反馈s合比一定的前提下， 随着光纤长度的增 加， 阂 值功率先是急剧下降， 在3 - 5 m之间达到一最小值， 之后再逐渐上升. 仅从 阑 值功率考虑， 最佳光纤长度应在3 - 5 m之间， 而且， 该值随腔损耗的 增加而增加 ( 图2 . 6 ( a ) ) ， 随 反 馈藕 合比 的 增加 而 减 小( 图2 . 6 ( b ) ) . 综 合 考 虑 到 激 光器的 斜率效 率( 图2 . 5 ) ， 最佳光纤长度应比 该值略大( - 6 m ) . m c imn x0 0 0 0 y y , k 1 . 气 司1 w y % y y l d w o d b娜. 吻 r w, v b伙 (b) -r 湘湘”相 安e.泣住注材占 产户 ， 一 电 ， 一 一 1 o 1 s劲 以举.叨卜1 叫 5飞 0 口 解.vk l ml a . a ti . e o u m 州向 y . b 0. 1 . ; a w m - - y 节 洲 氏p a w (c) 二一 贻 - 下 ， ， 口 日 丫 二 3 d . 一 一 下 5 d 日 一 一 了 二 7 d . 峨一 一一一，一一 响一一一，一 勺-一 一七-一 - 一，一. 一. 一. 一 - k0.05k0.1y0.5y0.5 1 5刀 愉种1黝判泄 多互石已弓奋占 e m 匕旧 自如) 1 0 口 下w叼km 图2 .7 : 粉出 功率随光纤长度的变化 三、转出功率随光纤长度的变化 图2 . 7 所示为激光器 输出 功 率随 光纤 长度的变化. 图2 . 7 ( a ) 在泵浦功率为0 . 1 w, 反馈藕合比 一定的 情况下得到， 四 条曲 线对应于不同的 腔损 耗. 图2 . 7 ( b ) 在泵浦功 率为0 . 1 w ,腔损耗一定的情况下得到，不同的曲线对应于不同的反馈藕合比.图 2 2环形腔掺锌光纤激光器基本特性 2 . 7 ( c ) 在泵浦功率为2 w， 反馈藕合比 一定的 情况下得到， 四条曲线对应于不同的 腔 损耗. 图2 . 7 ( d ) 在泵 浦功率为2 w， 腔损耗一定的 情况下得到， 不同的曲线对应 于不同的反馈藕合比 . 从图中可以 看出 : 在反馈藕合比 和腔损耗一定的前提 下 ， 存 在 一最佳光纤 长 度， 使得 输出 功 率最大 ， 该 最 佳 光 纤长 度随反馈藕合比 的 增加 而减小， 但基本不随 腔损耗变化. 泵浦功率较低时( 图2 .7 ( a ) 、( b ) ) ， 在光纤长度超过最佳值后， 激光器输出 功率会有较大程度的 下降， 这主 要是由 其闭 值功率的 增加而引 起的( 图2 .6 ) . 泵浦功率较高时( 图2 .7 ( c ) 、( d ) ， 光纤长 度超过最佳值后， 激光器的 输出 功率只 有轻微的下降， 这与其 斜率 效率的变化趋势 一 致( 图2 . 5 ) 。 低 泵浦功率和高泵浦功率下 输出 功率演化的 这一差 别由阂 值功率引起， 如图2 .6 所示， 阂 值功率最小值在l o m w附 近， 随 着光纤长度的 增加， 阐 值功率逐渐增加到 - 3 0 m w. 对于1 0 0 m w的 低泵浦功率， 闭 值功率的这一 变化在 输出功率上很明 显 的反映出 来; 而对于2 w的高泵浦功率， 阐值功率的这一变 化几乎可以忽略不计. 因此， 出现了图2 . 7 所示的 现象. 需要说明的是，图2 .7 所示的模拟结果表明: 高泵浦功率下， 在较大范围内 增 加光纤长度亦不会导致输出 功率下降太多. 但是， 在实际的 激光器中， 情况并非如 此. 这是因 为理论模型没 有考虑非线 性效应所致. 高泵 浦功率下增益光纤中会产生 很强的非线性效应， 而且， 非线性效应随光纤长度的增加而增强， 这会导致激光器 输出功率下降. 并且， 光纤越长， 环境因素对其产生的扰动就越大， 使得激光器稳 定 性下降. 因此， 实际 应用时， 应该在 最佳光纤长度附 近选用相对较短的光纤; 而 且， 如果考虑到高功率激光器中往往会采用双端泵浦 结构， 在选择光纤长度时还应 兼顾到前向 泵浦结构的 情形. 从图2 .3 中可以看出， 对前向 泵浦结构而言，当光纤 长度超过最佳值以 后， 即使在高泵浦功率下， 继续增加光纤长度也会导致输出功率 较大幅度的下降. 第二章 掺饵光纤激光器的理论模拟 四、不同光纤长度下的输出功率特性曲线 如图2 .8 所示为不同 光 纤长 度下激光器的 输出 功率 特性曲 线. 在不同的光 纤长 度下， 激光器的输出 功率均随泵浦功率的增加而直线上升， 但不同光纤长度对应的 激光器斜率效率不同. 如图中 所示，3 m的斜率效率最低，1 2 m的斜率效率最高. 不过， 由于1 2 m对应的激光器阐 值最高， 其输出功率并不是最高的. 在图中显示的 小于1 5 0 m w泵浦功率下，6 m光纤得到的输出 功率最高. w c t x a d pum p e d r c g mmy , i a 0 . 1 , rme 印和匆加 多).士od弓合，0 , 0 1 幻i co p u m p ww e r 1 而胡 困2 .8 : 不同光纤长度下的输出功率特性曲线 助 日 匕. 日 口 曰 p目向口 .确梦白, 序臼 . 公. .口卜.例曰 自用 . . 月， . ， 别 . :; 笠 骂厂 一 、 诀 、 夏 as0,2 岌 公4，冲 众众以 一砂8俨吞.厂 o xh-二 一-一 、 - 0 .r ( a ) * 0-0 1 飞1一 0 .8 一 一0 8 y闭 民甩】 0 月压.目 t r 川口成乡 图2 .9 : 针率效率随反情栩合比的变化 9 2 . 2 . 3 反馈拐合比对激光器 性能的影响 一、斜率效率随反恤辐合比的变化 图2 ，所示为激光器斜率效率随反馈祸合比 的变化情况. ( a ) 为固 定光纤长 g 2 . 2环形 腔掺饵光纤 激先器荃本特性 度， 改 变腔损耗得到的一 组曲 线;( b ) 为固定 腔损耗， 改变光纤长度得到的 一组曲 线. 从图中可以看出， 在腔损耗和光纤长度一定的情况下， 随着反馈藕合比的增加， 激光器的斜率效率快速增加到一个最大值， 之后逐渐下降. 亦即存在一个最佳的反 馈藕合比 ， 使得激光器 斜率 效率最高. 图2 .9 ( a ) 表明 ， 激光 器腔损耗增加使得其斜 率效率下降， 不同的腔 损耗 对应的最佳反馈藕合比 却大致相等。 这与光纤长度对最 佳反馈藕合比 的影响不同( 图2 . 9 ( b ) ) . 仅就 斜率效率而言， 光纤较长时， 最佳反馈 藕合比 较小; 光纤较短时， 最佳反馈藕合比 较大. 而且， 光纤较短时存在一闭值反 馈藕合比 . 如图2 . 9 ( b ) 中 点 划 线所示， 在光 纤长 度为3 m时。 反 馈祸合比 必须 大于 0 .0 2 1 ( 即2 . 1 % a ) ， 才能产生 激光振荡.因为此时光纤增益较小， 只有减小激光腔的 整体损耗才能使得增益 大于损耗， 达到阐 值条件， 从而产生激光振荡. 增加 反馈藕 合比实际上降低了 光在腔中 循环一周的总损耗. 二、闭值功率随反恤拐合比的变化 图2 . 1 0 所示为 激光器a 值功率随反馈藕合比 的 变化情况.( a ) 为固定光纤长 度， 改变腔损耗得到的一组曲 线;( b ) 为固 定腔损耗， 改 变光纤长度得到的一组曲 线.从图中可以看出， 在腔损耗和光纤长度一定的情况下，闽值功率随反馈藕合比 的 增加 而下降 图2 . 1 0 ( b ) 反映出， 在不同 光 纤长度下， 闽 值功 率随 反馈藕 合比 下 降的速度不同， 其中的演化趋势与图2 .6 中阂值功率随光纤长度先下降后上升的现 象是一致的. 加 目 份 .d o u d . d 南. 曰 m 勺 , 6 m e 口 下 . ， 洲 . 旧， . 目 旧门. 勺尹轰 旧 墓 湘拍怕仃场巧14竹12”相 篡 k( . 1 优用】 图 2 . 1 0闷值功率随反情辐合比的变化 第二章 掺饵光纤激光器的理论模拟 三、激光器翰出功率随反恤拐合比的变化 e e a w r a w m p m胡 . 、 勺a m w, , o , , wu a q . 7 i 0 w m4 . w 口 叫 勺产 叼 味 p . ., w : 犷 - :1.-ism- 3m ) (b ) 加朽佣， 萝互.趁9一忍8 萝互理性忍吕 e . a . . d w m , . . 向 -. , - w o . d . . d ， 州 . 司份 . 口 向t 气 y z w 厂 一 、 - bm- bm- a s1- 3m 们翔回幽 9w之 咖网朋网翔柳翔期伽 室傲长荟甘己 萝巨.“d，压弓0 c q 一一 0. t 一一o a一一节 k m 0 拼) 困 2 . 1 1输出 功率随反情栩合比的变化 图2 . 1 1 所示为 激 光器 输出 功率随 反 馈藕合比 的 变化 情况. 其中 ，( a ) 在泵 浦 功率为o . 1 w， 光 纤长 度一 定的 情况下 得到， 四 条曲 线对 应 于不同 的 腔损耗;( b ) 在泵浦功率为0 . 1 w, 腔损耗一定的情况下得到， 不同的曲线对应于不同的光纤长 度;( c ) 在泵浦功 率为2 w， 光纤长度一定的情 况下得 到， 四条曲 线对应于不同的 腔损耗;( d ) 在泵浦功 率为2 w， 腔损耗一定的 情况下 得到， 不同的曲 线对应于不 同的光纤长度. 从图中 可以看出， 每一个腔损 耗和光纤长度对 ( 儿) 均存在一 最佳反馈藕合比， 使得输出 功率最大. 该最 佳 反馈藕合比 随光纤长度的 增加而 减小( 图2 - 1 1 ( b ) ( d ) ) ， 但基本不随 腔损耗变化( 图2 . 1 1 ( a ) ( c ) ) 。 在腔损耗增大 的过程中， 输出 功率普遍下降( 图2 . 1 1 ( a ) ( c ) ) . 在 光纤长度增加的过程中， 输 出 功率的变化趋势与 反馈藕合比 的 大小有关 ( 图2 . 1 1 ( b ) ( d ) ) ， 这与图2 . 7 中 所示输 出功率随光纤长度的变化情况相对应. 图2 . 1 1 ( b ) 与( d ) 的变化趋势有一定差 2 , 2环形腔掺钾光纤激光器基本特性 别， 主要是因 为二者受阂值功率变化影响的程度不一样二 阐值功率变化在 1 0 m w量 级， 对于0 . 1 w的 低泵浦功率而言， 这一变 化量是 较大的， 而对于2 w的高泵浦功 率而言， 这一变化几乎可以忽略不计. 所以，2 w高泵浦功率下， 激光器输出功率 的演化 趋势 更接近 斜率 效 率的 演化 趋势( 对比 图2 .9 ( b ) 和图2 . 1 1 似 ) ) . 而。 . 1 w低 泵浦功率下， 因受闭 值功率的影响较大 ( 图2 . 1 0 ( b ) ) ， 激光器输出 功率的演化趋势 与斜率效率的 演化 趋势不 完 全一致( 对比 图1 9 ( b ) 和图2 . 1 1 ( b ) ) . 从图2 . 1 1 ( 6 ) ( d ) 中 可以 看出 ，9 m光 纤长 度 对 应的最佳 反馈藕合比 非常小( 5 % ) ; 光 纤 长度 变短时 ， 最 佳反馈藕合比 逐 渐 增 加， 但也处于比 较小 的 范围内 ; 在 光纤长度减小到只有3 m时， 最佳反馈藕合比依然只有 2 0 %左右. 这是由 光纤激 光器的 高 增 益特性 决 定的 ， 与我们 在实 验中 观 察到 的 现象是 一 致的。 1 l . 不 过， 需 要说明的是， 虽然低反馈可以得到很高的输出 功率， 但是， 会影响激光器的波长调 谐特性， 如果需要得到较好的调谐平坦性和较宽的 调谐范围， 就应该选用较高的反 馈藕合比 ， 使 掺 饵光 纤 处于 深度 饱和状态(1 9 , 6 6 ) . 这 一特性与掺 德光纤 激光器类似 1 6 7 l wk - m v m w n 哈 w m. g m e d f ,r3 d b 一k二让05 一 *二0, 7 ，k二0, 2 - 一k二 0 5 和30加 多布。立弓要，0 0 - -0 一一 一5 0 一一一 不亩一一一 p u 曰p郊目屯 v ) 图2 .1 2 : 不同反债栩合比下的输出功率特性曲线 四、不同反恤辐合比下的输出功率特性曲线 图2 . 1 2 所示为不同 反馈藕合比 下激光器的输出功率特性曲 线. 在不同的反馈 藕合比 下， 激光器的输出功率均随泵浦功率的增加而线性上升. 不同反馈藕合比对 第二章 掺饵光纤激光器的 理论模拟 应的激光器斜率效率和闭值功率均不相同，图2 . 1 2 中较小的反馈锅合比 对应于较 大的斜率效率 和闭 值功率. 这与图2 .9 和图2 . 1 0 中 的 变化规律相符 ( 虚线) . 2 . 3 线形腔掺饵光纤激光器基本特性 本小节采用上面介绍的理论模型研究线形腔掺 饵光纤激光器的基本特性， 包 括掺饵光纤长度、 反馈祸合比、 腔损耗以及泵浦功率、 泵浦方式等对激光器性能的 影响. 需要说明的是，由于线形腔激光器中没有隔离器和输出祸合器带来的附加损 耗， 其整体损耗要低于环形腔激光器。 而且，由 后面的模拟结果可知， 线形腔激光 器最佳光纤长度比 环形腔激光器略短. 所以， 在以下有 关线形腔激光器的 模拟计算 中，选用了 较小的损耗值和较短的光纤. 肠 2 . 3 . 1 前后向泵浦方式对激光器 辐出特性的影响 . . . . 向r + . % 4.a w , . r rnx y , w a 川4 p . . 1 w ;:(ax( 卜 . ( b ) 介 巨 k 0以 加 已， 口 旧 阮 .0以ro阳 月b k 05 . 0 曰 法 踢 即a k05 . t dx旧川 心 b ，r.1.1.月. 硬足趁且8 f df 如0 0 如ml t d % _5一 一1 0 一一 一1 5一一 3 0 f 口 厂如用 h 弓 m， + “ v . r a 二: t r i . “。 胃 勺x row , o 幽期栩栩幽 犷吐一孟一吕 一 一 一 ，、 尧 、一 、一 二 二 一呻日 助助网助 -仁oof w awe m ， x o山 匆 m. 们 k a5 . wu. e 旧 一k.05 拍n “ 口 旧膺 心5仁.。户一盆写0 牛 0 口 f b %山弓 .】 1 5二n 呻叶叫j哈 吃 口 f勺 朋晰门 m) 图2 . 1 3 : 线形腔掺钾光纤激光器不同泵浦方式下输出 功率随光纤长度的变化 图2 . 1 3 示出 线形腔激光器输出 功率随光纤长度的变化. 其中， ( a ) 在泵浦功 2 . 3线形腔掺饵光纤激光器羞本特性 率为0 . 1 w, 腔损耗一定的情况下得到， 四条曲线对应于不同的反馈藕合比 和泵浦 方式;( b ) 在泵 浦 功 率为0 . 1 w， 反 馈 藕 合比 一 定的 情况下 得到， 不 同 的曲 线对应 于不同 的 腔损耗和泵浦方式;( c ) 在泵浦 功 率为2 w, 腔损耗一定的情况下得到， 四 条曲 线 对 应于 不同 的 反馈藕合比 和泵 浦 方 式;( d ) 在泵浦 功 率为2 w， 反 馈 藕合 比 一定的 情况下得到， 不同的曲 线对应于不同的腔损耗和泵浦方式. 从图中 可以看 出， 对于线形腔激光器， 在其他参数相同的情况下， 后向泵浦效率较前向泵浦效率 高. 但是， 与环形腔结构相比， 线形腔激光器中前、 后向泵浦之间的输出功率差相 对较 小( 对比 图2 . 1 3 和p 1 4 : 图2 . 3 ) ， 因 而， 在 线形 腔 激光器中 ， 后向 泵浦的 优势 不如环形腔中明显， 吧 喇. 目 . . 川 匆骊印 .r ,曰s a w只 _p ， 尹 尸护 夕 尹 产 少 产 户 少 户 _ _ 切任认怕， aatodfo fff1a 厂 ， 、 - 一 - 一 一 - 一 ，2 2伽】卜 坐 一， + o w+ a w r . a m mr .r f . a w , 今 w e . u + s a wc s a . . m .,er . , w .r + w . x ww . ; - n v 声厂 盆 盯 不 u，“ 蜜. ， 一 ， 二盆 二 竺 二 : : 二 : : : : ， 一方 竺 少 任，“妇翻妇 贫一七压 o a十 。 ， ， 一 “ 北 : 三( c ) o ; 一一1 3 f一. a- 5七 一一飞尸-气 一 1 - - 一止 _ 之 图2 . 1 4 : 线形腔棒饵光纤激光器腔内功率演化图 图2 . 1 4 所 示为 线形 腔激光器中 泵 光( 实线 ) 和激光( 短划线 ) 功率 在 腔中 的 演 化. 其中 ，( a ) 、( b ) 分 别为前向 泵 浦 下5 m和l o m光纤长度的 结 果 ，( c ) 、( d ) 分别为 后向 泵浦下5 m和l o m 麒干 长度的 结果， 同环 形腔中 一样， 线形腔激光器后 向泵浦也有利于泵光的吸收和激光的放大. 但是，与环形腔不同的是， 在线形腔激 第二章 掺饵光纤激光器的理论模拟 光器中， 激光是双向 传输的， 在靠近z =0 处的光纤段中激光功率比 环形腔中 相同 位置的 功 率高 ( 对比 图2 . 1 4 和p 1 5 : 图2 劝， 因 此， 后向 泵浦结构中 该段光纤吸收 产生的损耗也相对较大. 这就是线形腔激光器中后向泵浦优势不如环形腔激光器中 明显的原因. 2 . 3 . 2 光纤长度对激光器性能的影响 b 目助 旧口 川 叩曰布 .甘记 .翻 加 阅 a 臼 砚助.。 价 曰 ， 创份 . .口 州b尹， 旧 习 、 :; 016a 狱泛 二幸 一口日户乙甘 瑕墉担。 660 1l , 0 口 匕甲叫用 】 ， 肠艺 6 1 0 匕 口 瞬抽x 口佃】 图2 .1 5 : 抖率效率随光纤长度的变化 b 目 .r d协 而p 团自 . . r . ，自 as 阅滋康嘿沸浇眼裸比既旧滋 助始们肠匆乃匆仍怕 多互犷 1 0 1 饭 j 俗 0 6 1 0 口 f如月 曲 1 时 1 6匆 0肠 下 0 口 if如弓 向 间 ， 52) 图2 .1 6 : 闷值功率随光纤长度的变化 图2 . 1 5 所示为线形腔掺饵光纤激 光器 斜率效率随光纤长度的 变化 情况. 其中， ( a ) 为固 定 反馈藕合比， 改 变腔损耗的结果;( b ) 为固定腔损耗， 改 变反馈藕合比 的结果. 图 2 . 1 6所示为闭值功率的变化情况.固定反馈藕合比，改变腔损耗得到图 2 . 1 6 ( a ) ; 固 定 腔 损耗， 改 变 反 馈藕合比 得 到图2 . 1 6 ( b ) . 将线 形 腔的 结 果( 图2 . 1 5 . 图2 . 1 6 ) 与 环形腔相应的 结果( p 1 7 : 图2 . 5 、p 1 7 : 图2 .6 ) 对比 可以 发现， 线形腔激 2 . 3线形腔掺饵光纤激光器基本特性 光器 与环 形腔 激光器的 效率和闻 值 随 光 纤长 度的 变化 规律基 本 相同 ， 即 效率 随 光纤长 度先增加后下降， 而闭 值随光纤长度先下降后上升. 存在一个不随腔 损耗变化、 但随输出 藕合比 增加 而略微增加的 最佳光纤长度， 所不同 的 是: 相 比于环形腔激光器而言， 线形腔激光器的最佳光纤长度略短. 在较低的反馈藕合比 下， 最佳光纤长度约为5 m左右( 环形腔为6 m ) . 同 样是后向 泵浦 结构，环形 腔激光 器在光纤长度超过最佳值后 继续增加光纤长度时 斜率效率下降幅 度很小， 而 线形腔激光器此时的斜率效率下降幅度较大. 这是由 于线形腔激光器中同时包含前 向 和后向 传输的激光成分， 增加 光纤长度会引 起较大的 损耗. 这说明 了 在线形腔激 光器中， 将光纤长度控制在最佳值附近亦很有必要. 加 目助.a 四 ，曰加 .。 网 晾翻 n e c f加 . 加. d 脚. p侧如 阅 曰 r c . 翩， . ， 阳 建吕乙尸 荃吕州占甘 图2 . 1 7 : 舒率效率随反请辐合比的变化 ，1db一赘 响- 一一 民 扣 . . 刚例n ，目肠 旧盯口“ 勺 . 与 ， e 下 e 111712109 e(a)e e ，卜 叭 . 一 ，. ， 卜 一 一一 加 一一 - -二 二 0 7 01 06 kb, 的 汤 ) 02 01 0 多ae y阅 创7 1 . 1 午讨叹器责杭，汇。 图2 . 1 8 : 闪值功率随反馈搞合比的变化 第二章 掺裤光纤激光 器的 理论模拟 9 2 . 3 . 3 反馈拐合比 对激光器 性能的影响 图2 . 1 7 所示为线形腔激光器斜率效率随反馈藕合比 的 变化情况. 其中， ( a ) 为固 定 光 纤 长 度， 改 变 腔 损 耗 的 结 果 ;( b ) 为固 定 腔 损 耗， 改 变 光 纤长 度的 结果 . 线 形 腔激 光器 斜率效率随 反 馈藕合比 的 变化 趋势( 图2 . 1 7 ) 与 环 形 腔结 构( p 2 0 : 图 2 .9 ) 类似: 斜率效率随反馈a合比 的 增加而急剧上升到一 个最大值， 之后逐渐 下降. 最佳反馈藕合比 基本不随 腔损耗变化， 但随光纤长度的 减小 而增加， 不 过， 总 是处于 一 个较低 值 上 ( m曰 万沪出 . 牛 于六(a) 墓 一日户吞矽 去 s a 竺 s u 二 s s o 书 s x 气益 p . 那 . 的创 份州戒 衡 】 图2 .2 1 : 环形腔后向泵浦激光器针率效率、阂值功率随泵浦波长的变化 图2 . 2 1 ( a ) 为 后向 泵 浦 激 光 器斜率效 率随 泵浦 波长的 变化，( b ) 为闭 值 功 率随 泵浦波长的变化. 图中 实线、 虚线和短划线分别 对应于反馈藕合比 为7 %, 2 1 %和 4 9 %. 从图中 可以看出， 当 反馈藕合比 较低时( 7 % ， 实 线) ， 激光器斜率效率随泵 浦波长的 增加而逐渐下降， 下降速度在1 5 5 0 n m附 近急剧增加， 在1 5 5 4 n m处斜率 效率降低到只 有 1 0 %左右， 而且， 阐值上升到一百多 毫瓦;当反馈藕合比 较高时 ( 4 9 % , 短划线) ， 斜率效率几 乎不随泵浦波长变化， 阑 值功率亦如此. 这一现象与深 度 饱 和 激 光器 调 谐 范围 广 的 现 象 相 似19 ,6 6 ,6 7 . 2 . 5本章小结 图2 . 2 2 为前向泵浦激光器在不同反馈藕合比下的 斜率效率和闺值功率随泵浦 波长的 变化 情况，( a ) 、( b ) 分别为 斜 率效 率和闽 值 功 率的 变化情 况， 图中 实线、 虚线和短划线分别对应于反馈祸合比为7 % , 2 1 %和4 9 %. 从图中可以看出， 前 向泵浦激光器斜率效率和闺 值功率随泵浦波长的变化趋势与后向泵浦几乎一样， 所 不同的 是， 前向 泵浦激 光器的 斜率效率普遍低于后向 泵 浦激光器的斜率效率. 将图 2 . 2 1 和图2 . 2 2 与 第4 章 实 验 结果( p 7 4 : 图 . 7 ) 对比 可 以 看出 ， 理论 模拟 结果与实 验结果的演化趋势是一致的 份.七 附 心例m . 明 她” 旧 井pb s旧拍 月臼 . 心w门 娜 阅. 2 肠目 挤产， 拍 sry= 匡 k+ 00r+ 071s+ otb ” 。 . 二 二 石 石石 m w ._ r ; b7lw b _ _ , . a ,b 即! 餐、 卜 乒。 ! : ! 吕艺. 匀卜- 一一 b 二 1 9 5 二 1 5 1 0 二 11 日 5 5， ， 的 p . 甲 肠洲公月物 t - 1 护 闭琴训.曰喊p r; n m ) 图2 .2 2 : 环形腔前向 泵浦激光器抖率效率、闪值功率随泵浦波长的变化 各 2 . 5 本章小结 本章从激光器的基本速率方程出发， 通过对增益光纤中的功率传输方程进行数 值求解， 得到泵浦光和信号光在光纤中的功率演化图， 藉此获得激光器的输出功率 特性. 对于常规 1 4 8 0 n m泵浦的掺饵光纤激光器， 理论模拟得到的主要结论为: 无 论是线形腔，还是环形腔，后向泵浦效率均高于前向泵浦效率; 线形腔激光器的最 佳光纤长度比环形腔激光器的略短， 而且最佳输出藕合比也略小; 采用较小的反馈 祸合比可以得到较高的斜率效率， 对于共振泵浦掺饵光纤激光器， 理论模拟显示:饵离 子对 ( 儿) 浓度 增加引 起 泵浦效率下降且 1 5 3 0 n m附近下降较快; 反馈藕合比 较低时， 在长波端泵浦效率 第二章 掺解光纤激光 器的理论模拟