影响调Q光纤激光器性能的重要因素分析

收稿日期:2005-03-23.　光电器件影响调Q 光纤激光器性能的重要因素分析黄　琳,刘永智,代志勇(电子科技大学光电信息学院,四川成都610054)摘　要:　对影响调Q 光纤激光器性能的几个重要因素:放大的自发辐射、Q 开关的选择、泵浦功率和速率、光纤的选择、输出耦合腔镜反射率等进行了理论分析,给出了输出脉冲峰值功率和宽度对腔长、腔内往返损耗等参数的依赖关系,并提出了优化方法。

关键词:　光纤激光器;调Q 光纤激光器;放大的自发辐射;低数值孔径大模场光纤;Q 开关中图分类号:T N253　文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2005)06-0494-05Cr iti ca l Factors I nfluenc i n g Character isti cs of Q 2sw itched F i ber La serHUANG L in,L I U Yong 2zhi,DA I Zhi 2yong(School of O ptoelectron i c I nfor ma ti on,Un i versity of Electron i c Sc i ence and Technology of Ch i n a,Chengdu 610054,CHN)Abstract:　Several fact ors influencing the characteristics of Q 2s witched fiber lasers,such as a mp lificated s pontaneous em issi on,Q 2s witch selecti on,pu mp power and rate,choices of fibers,repetiti on rate of acoust o 2op tic modulat or,reflective index of out put coup led cavity m irr or and s o on,are analyzed theoretically .The dependences of peak out put pulse power and width upon the length and l oss coefficient of the cavity are given,and the op ti m izing app r oach is p r oposed .Key words:　fiber laser;Q 2s witched fiber laser;a mp lificated s pontaneous e m issi on;l ow nu merical aperture large mode area fiber;Q 2s witch1　引言20世纪80年代后期出现的包层泵浦技术,通过光纤内包层耦合泵浦能量大大提高了光纤激光器入纤泵浦能量和输出激光能量。

目前,连续激光输出功率最高已达2000W 。

但是许多应用领域需要脉冲激光,采用调Q 技术可以实现短脉冲激光的输出。

这种短脉冲激光在测距、OT DR 、通信系统、远程传感、高速全息照相、军事、医疗等方面被广泛应用。

普通固体调Q 激光器的研究已经逐步成熟,但其体积大,输出能量较低。

为了得到高单脉冲能量激光,人们把目光转向对光纤激光器调Q 。

2001年,C 1C .Renaud 等[1]用低数值孔径大模场光纤(L MA )作增益介质,采用声光调制器(AOM )调Q 获得2.3mJ的单脉冲输出能量;2002年R.Selvas 等[2]报道采用掺镱光纤作增益介质以及AOM 调Q 在980nm 处获得脉宽小于20ns 、能量1.2μJ 的脉冲激光;2004年P 1D.D ragic [3]采用受激布里渊散射和AOM 共同调Q 产生重复频率500Hz 、1.2μJ 单脉冲能量的脉冲输出。

本文从理论上分析了提高调Q 光纤激光器输出脉冲能量应考虑的因素。

2　理论分析调Q 光纤激光器的基本结构如图1所示。

其中前腔镜对脉冲激光起输出耦合作用,后腔镜提供高反馈。

图1　调Q 光纤激光器基本结构调Q 光纤激光器因为增益光纤芯径小,故在高・494・功率泵浦时纤芯中将产生放大的自发辐射(ASE ),考虑泵浦吸收还未达到饱和且未产生ASE (小信号情况),用一个二能级系统的模型取代实际的激光三能级和四能级系统,由J.J.Degnan [4]关于调Q 激光器的理论得到调Q 激光振荡的速率方程:dΔn d t=-γcσes ΦΔn (1)dΔΦd t =2σes Δn l τr Φ-Φτc(2)Δn t =12σes l ln 1R +L(3)式中:Δn 是反转粒子数密度,Φ是腔内光子数密度,σes 是激光发射截面,γ是反转减少因子,四能级系统中为1,没有简并的三能级系统为2,Δn t 是阈值反转粒子数密度,l 是增益光纤长度,R 是输出耦合腔镜的反射率,L 是腔内往返损耗,τr 是激光在腔内往返一次所需时间,τc 是腔内光子寿命,c 是真空中光速。

τr =2l ′n ′/c (4)τc =τr /[ln (1/R )+L ](5)其中,l ′是谐振腔长度,n ′是增益光纤纤芯折射率。

将式(4)、(5)带入式(2)并除以式(1)后,将式(3)带入得腔内光子数Φ对n 的微分方程。

由于调Q 脉冲峰值是在Δn t 时刻产生,此时腔内光子数达最大Φm ,故对此微分方程积分得到Φm =l l ′γΔn i -Δn t +Δn t ln Δn i Δn t(6)经耦合输出的脉冲峰值功率为P m =h νA l ′ln 1RτrΦm =A lh νγτrln 1RΔn i -Δn t +Δn t lnΔn iΔn t(7)总激光输出能量为E ext =1γA lh ν(Δn i -Δn f )ln (1/R )ln (1/R )+L(8)脉冲的半高全宽(F WH M )为τp =E extP m=τc(Δn i -Δn f )Δn i -Δn t [1+ln (Δn i /Δn t )](9)式中:A 为激光光束截面,h 为普朗克常数,ν为激光频率,Δn i 为初始反转粒子数密度,Δn f 为激光振荡终止时的反转粒子数密度。

由式(7)、(8)、(9)可以看出,提高Δn i /Δn t ,有利于提高腔内最大光子数密度Φm ,从而提高调Q 脉冲的峰值功率P m 和总输出能量E ext 。

同时当Δn i /Δn t 增大时,由于Φm 的增加,调Q 脉冲上升时间和下降时间同时缩短,脉冲宽度变小。

达平衡时泵浦速率为W p =N 2/τ2(10)式中:N 2为上能级的反转粒子数,τ2为激光工作物质上能级寿命。

因此提高输出脉冲的峰值功率并减小宽度,应该努力提高Δn i /Δn t ,即增大Δn i ,减小Δn t 。

由式(2)看出:减小Δn t 应减小ln (1/R )+L ,但由于R 的增大减小了输出脉冲峰值功率和平均能,所以应尽量减小腔内的往返损耗L 。

3　提高调Q 光纤激光器性能应考虑的因素3.1　抑制ASE 带来的能量损耗ASE 是影响调Q 光纤激光器输出性能的重要因素。

由于ASE 伴随着激光信号的产生而产生,最终以荧光形式消散,所以它的出现消耗了激光上能级的反转粒子数,从而使输出激光脉冲的能量降低。

因此,设法抑制ASE 是设计调Q 光纤激光器的重点。

描述泵浦光功率和ASE 光功率沿光纤长度分布的速率方程为[5]d P p (z )d z=-γp (z )P p (z )(11)d P ±s (z,νi )d z=±{G es (z,νi )[P ±s (z,νi )+P 0]-G as (z,νi )P ±s (z,νi )}(12)式中:P p (z )是泵浦光沿光纤长度分布,γp (z )是泵浦光沿光纤长度吸收率,P ±s (z,νi )是在频率νi 处ASE 光沿光纤长度分布,+表示前向传输,-表示后向传输,G es (z,νi )、G as (z,νi )是频率νi 处ASE 光沿光纤长度的发射和吸收系数,P 0是增益带宽Δνi 内自发辐射对激光功率的贡献。

假设泵浦光在纤芯中均匀传播且掺杂离子在纤芯中均匀分布,考虑ASE 光为小信号时的情况(即ASE 光在均匀加宽谱线中心频率处的能量小于小于均匀加宽饱和能量),有G es (z,νi )=ρ0σes (νi )ΓsP p (z )P thp[P p (z )/P thp ]+1(13)G as (z,νi )=ρ0σas (νi )Γs[P p (z )/P thp ]+1(14)式中:ρ0是掺杂离子密度,σes (νi )是频率νi 处激光的发射截面,σas (νi )是频率νi 处激光的吸收截面,P thp 是泵浦阈值,Γs 是激光模式与有效芯径(掺杂・594・区)的重叠因子,σap 是泵浦光吸收截面。

频率νi 处的ASE 光净发射系数为G (z,νi )=G es (z,νi )-G as (z,νi )=ρ0Γs σes (νi )P p (z )Pthp -σas (νi )[P p (z )/P th p]+1(15)由式(15)可以看出,对于单向传输νi 频率的ASE 光,存在一个光纤长度z 0i ,满足P p (z 0i )/P thp=σas (νi )/σes (νi )(16)在此光纤的入射端ASE 最大(P p (0)最大),在l =z 0i端ASE 最小(G =0)。

但由于光纤中同时存在前向ASE 光和背向ASE 光,所以ASE 光在光纤中的分布是两端最大中间最小。

与此相对应的是激光的增益在光纤两端最小,在光纤中间出现最大值,出现不均匀性。

通过将式(13)、(14)代入式(11)、(12)数值求解可以得到ASE 光功率沿光纤长度的分布。

当泵浦光一定时,ASE 在光纤中的分布随着光纤长度的增加而增加;对于相同的光纤长度,泵浦光增大,ASE 也增大。

在调Q 光纤激光器中,由于ASE 的存在,使得输出脉冲功率不能象普通调Q 固体激光器那样随泵浦功率的增大而增大,而是会出现对泵浦吸收的饱和。

当达到这个吸收饱和时,即使增大泵浦功率也不会提高输出脉冲的峰值功率。

原因是泵浦功率高时产生的ASE 强度也大(在相当长的范围内G >0)。

ASE 产生的增益饱和限制了反转粒子数,从而限制了峰值功率。

同时,ASE 随着纤芯半径的减小而变得更加突出。

抑制ASE 从而提高调Q 脉冲峰值功率的途径是:(1)增大纤芯半径;(2)调整谐振腔结构。