傳能光纖長度對連續(xù)波單頻全光纖激光放大器cs閾值功率的影響

傳能光纖長度對連續(xù)波單頻全光纖激光放大器cs閾值功率的影響

1傳能光纖長度對單頻全光纖激光放大器ss閾值特性的影響高頻率單頻光纖模擬器和光纖放大器廣泛應用于相干合成、非線性頻率轉化、相干勘探和激光雷達等領域。本文采用譜線寬度為2.35kHz的種子光源,自建了兩級級聯連續(xù)波單頻全光纖激光放大器,通過改變主放大器增益光纖與輸出光隔離器之間傳能光纖的長度,測量了主放大器回光功率及光譜特性隨激光輸出功率的變化,分析了傳能光纖長度對單頻光纖放大器SBS閾值特性的影響,實驗結果與理論計算結果相符。在主放大器增益光纖為2.5m、傳能光纖長度為2.0m時,在未采取其他任何SBS抑制措施的情況下,在所能得到的增益范圍內(放大器輸出信號功率為16.77W)未觀測到SBS現象的發(fā)生。2主放大器和種子正演模擬圖1為實驗所用的兩級級聯的連續(xù)波單頻全光纖放大器裝置示意圖。非平面環(huán)形腔(NPRO)結構的種子源經光隔離器(ISO1)注入一級預放大器進行預放大后,依次通過光隔離器ISO2,1/99的2×2光纖分束合器TAP,最終進入主放大器進行功率放大。其中,各級之間信號光通過單模保偏(PM)光纖傳輸,ISO1、ISO2用于抑制光纖激光放大器中的寄生振蕩以保護激光放大器和種子光源,1/99的2×2TAP用于監(jiān)測注入主放大器中的信號光和功率放大過程中由于SBS等生成的返回光。主放大器由2個功率為10W、中心波長為975nm的尾纖化激光二極管(LD)通過2×1抽運光纖合束器和(2+1)×1的保偏光纖合束器抽運,預放大器輸出的功率為1W的信號光通過(2+1)×1保偏光纖合束器注入雙包層摻鐿光纖(YDF)的纖芯,主放大器所用雙包層光纖的長度為2.5m,纖芯和內包層直徑分別為10μm和130μm。功率放大后的信號光經與主放大增益光纖參數相同的無源傳能光纖(GDF)傳輸后,最終經光隔離器ISO3輸出。圖2為傳能光纖長度為2.0m時,主放大器輸出信號光功率隨抽運電流的變化關系圖。圖3為種子光源的光譜圖,中心波長為1064.42nm。圖4(a)和(b)為采用零拍測量法實驗中,通過控制主放大器中增益光纖與ISO3之間傳能光纖的長度依次為4.1、3、2、1m,監(jiān)測1/99TAP中光纖1出口的回光功率和光譜對主放大器的SBS閾值進行研究,用TAP光纖1出口(1%端口)回光功率的突變點及回光光譜中斯托克斯光譜峰的出現來表征主放大器系統的SBS閾值點,測量了主放大器的SBS閾值隨傳能光纖長度的變化關系。3受激布里淵散射閾值SBS是影響單頻光纖激光器輸出功率提高的重要因素,一旦達到SBS閾值,SBS將把絕大部分輸入功率轉換給后向斯托克斯波,對整個光路系統造成危害。SBS過程可以經典地描述為抽運波、斯托克斯波通過聲波進行的非線性相互作用。抽運波通過電致伸縮產生聲波,引起介質的周期性調制,并被形成的折射率光柵布拉格衍射頻率下移而形成斯托克斯波式中I式中A受激布里淵散射閾值定義為在光纖的輸出端斯托克斯功率與抽運功率相等時的入射抽運功率。求解得,臨界抽運功率P對于本研究所用的實驗系統,SBS閾值功率隨光纖長度變化的計算結果如圖5所示,在光纖長度為3.0m時(傳能光纖長度為0),系統的SBS閾值功率為28.5W,隨著光纖長度的增加,系統的SBS閾值功率急劇下降,當光纖長度為10m時(傳能光纖長度為7m),系統的SBS閾值功率僅為8.6W,隨著光纖長度的繼續(xù)增加,SBS閾值繼續(xù)降低但相對緩慢。光纖的長度分別為7.1、6、5、4m(對應傳能光纖長度為4.1、3、2、1m)時,系統的SBS閾值功率分別為12.15、14.26、16.95、21.1W。4抽運電流對ds閾值的影響保持功率主放大器增益光纖與ISO3之間的傳能光纖長度為4.1m,在TAP光纖1出口檢測到的回光功率隨功率主放大器抽運電流的變化關系如圖6黑線所示,主放大器回光功率在驅動電流約為6.5A時陡然上升,對應輸出信號光功率為8.65W(SBS閾值點)。TAP光纖1出口的回光光譜(主放大器增益光纖與ISO3之間傳能光纖的長度為4.1m)如圖7所示,其中黑色線為種子光源的光譜線,在抽運電流為6A時,回光光譜中信號光中心波長1064.42nm右側0.06nm處出現一個小側峰,此時稍微加大電流,后向散射光能量迅速地增加由信號光譜峰1064.42nm向1064.48nm的斯托克斯光譜峰轉移。截短功率主放大器增益光纖和ISO3之間的傳能光纖,重復監(jiān)測傳能光纖長度分別為3、2、1m時TAP光纖1出口回光功率隨抽運電流的變化關系,得到不同傳能光纖長度下回光功率隨抽運電流的變化關系如圖6所示。隨著傳能光纖的長度由4.1m縮短為3m,功率主放大器的SBS閾值點電流由6.5A提高到8A,對應SBS閾值功率由8.65W提高為12W?？紤]到ISO3的透射率為80%,實驗結果與理論計算值11.1W和14.6W符合較好。當傳能光纖長度分別為2m和1m時,在抽運電流達到最大值(放大后激光功率為16.77W)時,如圖6所示,沒有SBS閾值點出現?？梢?在高功率連續(xù)波單頻光纖放大器設計和實驗中,除要選擇合適抽運LD和有源光纖,并對有源光纖的長度進行優(yōu)化及采取適當的SBS抑制措施外,對傳能光纖的長度也應根據實際需要合理優(yōu)化,如盡可能截短光隔離器、光纖合束器等無源器件尾纖的長度,以滿足高功率單頻光纖放大器在研制和應用中的功率要求。5單頻激光輸出的頻率以譜線線寬為2.35kHz的NPRO結構的固體激光器為種子光源,建立了兩級級聯的摻鐿連續(xù)波單頻全光纖激光放大器,研究了傳能光纖長度對單頻光纖放大器SBS閾值功率的影響,實驗結果與理論計算符合較好。在傳能光纖長度為2m時,獲得了16.77W的單頻激光輸出,繼續(xù)增大抽運功率,該光纖放大器的單頻輸出功率還可繼續(xù)提升。實驗結果表明,在單頻連續(xù)波光纖激光放大器設計和實驗中,