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超快光纖激光技術(shù)之三十 帶內(nèi)泵浦的高功率摻銩光纖放大器|環(huán)球今熱點

2023-02-20 16:40:11    來源:維科號

高功率摻銩光纖激光器通常用790nm左右的光源泵浦,這種泵浦方案所需的泵浦二極管激光器容易獲得,且能夠借助交叉弛豫(CR)過程提升激光器的效率。不過,百瓦級摻銩光纖在790nm左右泵浦時的效率不會超過60%,這使得熱負(fù)荷較大,不利于功率提升。此外,高熱負(fù)荷最終會導(dǎo)致模式不穩(wěn)定,使得非線性相移增加。減輕熱效應(yīng)的一種策略是增加泵浦波長,即采用帶內(nèi)泵浦方案。


(資料圖)

本期介紹的論文來自德國耶拿課題組的工作,主要研究了泵浦波長對大模場面積、高功率摻銩光纖放大器的影響[1]。

為了確定最佳泵浦波長,作者首先借助CR與銩離子各能級粒子數(shù)密度的關(guān)系,指出不能僅僅利用CR過程提升斜率效率。獲得更高效率的一種方法是增加泵浦波長,也即利用帶內(nèi)泵浦方案(1550~1910nm)。此外,為了產(chǎn)生高能量脈沖,在選擇泵浦波長時還應(yīng)考慮光纖放大器的最大存儲能量。為實現(xiàn)高儲能和高斜率效率之間的平衡,泵浦波長應(yīng)在1550nm到1700nm之間。同時,要使吸收截面不至于過小,需將泵浦波長范圍縮減到1600nm到1700nm之間。最終,作者決定使用1692nm的帶內(nèi)泵浦波長。

在放大實驗中,作者使用了793nm、300W和1692nm、120W兩種不同的泵浦源。此外,還使用摻銩光子晶體光纖和摻銩棒狀光纖這兩種放大器實現(xiàn)高平均功率,實驗裝置如圖1所示。其中,信號輸入側(cè)(DM2處)和信號輸出側(cè)(DM1處)的兩個二向色鏡用于分離泵浦光和信號光。PM2為熱功率傳感器,用來測量殘余泵浦光功率,以確定被吸收的泵浦光功率。楔形熔融石英板(wedge)將光束分離,以便觀測路徑中的光束形狀。

圖1 實驗裝置示意圖(PCF:光子晶體光纖;LPF:棒狀光纖)[1]

圖2為光子晶體光纖實驗的結(jié)果。由圖2 a)和圖2 b)可以明顯看出,在輸出功率最大時(58W),泵浦波長對輸出信號頻譜和光束輪廓沒有明顯影響。由圖2 c)可知,1692nm泵浦方案的斜率效率為80%,明顯高于793nm泵浦方案(47%)。圖2 c)中模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)具有良好的一致性,因此可以通過模擬作進(jìn)一步分析。

圖2 光子晶體光纖實驗的結(jié)果[1]

圖3為光子晶體光纖中CR率和熱負(fù)荷(纖芯溫度)沿光纖變化的模擬結(jié)果。如圖3 a)和圖3 b),對于793nm泵浦,CR率為正值;而對于1692nm泵浦,CR率為負(fù)值。結(jié)合泵浦光和信號光強(qiáng)度沿光纖的變化情況,可知圖3 a)和圖3 b)證實了CR過程與泵浦光和信號光強(qiáng)度的關(guān)系。如圖3 c),兩種泵浦方案的最大熱負(fù)荷差為52W/m,最大纖芯溫差為25K,在降低熱負(fù)荷方面,1692nm泵浦方案更具優(yōu)勢。

圖3 a)和b):CR率在不同吸收泵浦功率下沿光纖變化;c):熱負(fù)荷和纖芯溫度沿光纖變化[1]

換用大模場面積棒狀光纖進(jìn)行實驗,在1692nm泵浦時,可以達(dá)到67W的平均功率,斜率效率為74%,而在793nm泵浦時,斜率效率僅為38%。模擬熱負(fù)荷和纖芯溫度沿光纖變化,不同泵浦方案的最大熱負(fù)荷差為68W/m,最大纖芯溫差為31K。在降低熱負(fù)荷方面,同樣是1692nm泵浦方案更有優(yōu)勢。

總之,相較于793nm泵浦,1692nm帶內(nèi)泵浦對于高功率摻銩光纖放大器來說具有效率高、熱負(fù)荷小的亮點,這有利于繞過目前使用793nm泵浦方案時遇到的障礙,因此有望大幅度提高2μm飛秒光纖激光的平均功率。

參考文獻(xiàn):

[1] M. Lenski et al., “Inband-pumped, high-power thulium-doped fiber amplifiers for an ultrafast pulsed operation,” Opt. Express, vol. 30, no. 24, p. 44270, Nov. 2022, doi: 10.1364/OE.476160.

關(guān)鍵詞: 光子晶體 斜率效率 平均功率

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