有源光纖中稀土離子激光上能級壽命測量的研究*

劉恒 張鈞翔 付士杰 盛泉? 史偉? 姚建銓

1) (天津大學精密儀器與光電子工程學院,天津 300072)

2) (天津大學,光電信息技術教育部重點實驗室,天津 300072)

3) (亞利桑那大學光學科學學院,亞利桑那 85721)

提出了一種基于脈沖光纖激光放大器能量特性測量有源光纖中稀土離子上能級壽命的方法.根據光纖激光器速率方程,能夠確定有源光纖中反轉粒子數儲能隨抽運功率和時間的變化關系;實驗測量不同種子光脈沖重復頻率下放大器輸出單脈沖能量的變化,可以反映出反轉粒子數隨時間的變化情況,進而根據理論模型得到激活離子的激光上能級壽命.實驗搭建了1.06 μm摻鐿(Yb3+)光纖激光放大系統對該測量方法理論模型的合理性進行了驗證,對幾種常見商用摻Yb3+有源光纖激光上能級壽命分別進行了多次測量和數據處理,測量結果以及變化趨勢與其他相關報道中的結果相符.

1 引 言

以摻雜稀土離子的有源光纖作為增益介質的光纖激光器在可維護性、環境適應性以及熱管理等方面相比傳統固體激光器具有明顯的優勢,在工業、國防和科研領域具有重要而廣泛的應用[1-5].作為光纖激光器的核心器件,有源光纖的特性在很大程度上決定了激光器系統整體性能的優劣.有源光纖中摻雜離子的激光上能級壽命影響著激光器/放大器的反轉粒子數分布、抽運效率和輸出脈沖能量等,準確測量有源光纖激光上能級壽命一方面能夠為光纖激光器設計提供重要的參考依據,另一方面也對有源光纖中出現的濃度猝滅和光致暗化等現象的研究具有推動作用[6,7].近年來相關領域的研究人員發展出多種測量激光玻璃或晶體中稀土離子上能級壽命的方法,包括激光誘導熒光法、線寬測量法、延遲符合法、相移法等[8-10],這些方法大多要求待測樣品為塊狀介質,而對于已完成拉制的有源光纖中摻雜離子激光上能級壽命的測量報道很少.目前對于有源光纖,通常是用激光誘導熒光法測量摻雜離子激光上能級壽命,或者認為其上能級壽命等同于光纖預制玻璃中的值[11,12].前者的測試結果極易受重吸收效應和自發輻射效應的影響,而后者則忽視了光纖拉制過程中溫度和應力變化以及雜質引入對摻雜離子壽命的改變,準確性均受到一定限制.

鑒于上述情況,本文提出了一種基于脈沖光纖放大器輸出能量特性直接測量有源光纖中稀土離子能級壽命的方法.從光纖激光器的速率方程出發,得到有源光纖中反轉粒子數隨泵浦功率和時間的變化關系.當有源光纖中的儲能,也即反轉粒子數被脈沖種子光所充分提取時,放大器所輸出的單脈沖能量即反映了有源光纖中積累的反轉粒子數.通過測量種子光的脈沖重復頻率(泵浦積累時間的倒數)和輸出脈沖能量之間的變化關系,帶回速率方程模型就能夠得到有源光纖中摻雜稀土離子的上能級壽命.基于上述理論模型實驗搭建了脈沖光纖主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)系統,并對幾種常用的商用雙包層摻Yb3+石英光纖進行了測量,測量結果表明這些有源光纖中 Yb3+的壽命介于 0.6 ms到 0.9 ms,并隨摻雜濃度增加而減小,該測量結果與文獻[6,13,14]中報道的結果相符,驗證了該方法的合理性.

2 理論模型

2.1 上能級粒子數及光纖儲能理論分析

常用的 915 nm/976 nm 抽運下的 1.06 μm 摻Yb3+光纖激光系統以及980 nm抽運下的1.5 μm摻鉺(Er3+)光纖系統均可簡化為二能級激光系統進行處理,在均勻加寬機制占主導的情況下,端面抽運雙包層光纖激光器速率方程可表示為[15-18]:

式中 N1(z,t),N2(z,t)分別為基態能級和激發態能級粒子數密度;Pp+(z,t),Pp—(z,t)分別為前向和后向抽運功率;等號右邊第三項為自發輻射過程的作用,Pp+(z,t,λi),Pp-(z,t,λi)分別為波長 λi處前向和后向傳輸的自發輻射光功率,式中其他參數的物理意義見表1.

在信號光能夠充分提取反轉粒子數的條件下,速率方程中自發輻射過程的作用可以忽略[18],考慮只存在前向抽運并且抽運功率不隨時間變化,將(2)式代入(1)式整理得

表1 公式中各參數的物理意義及參考值Table 1.The physical meaning and their reference value in the theoretical model.

計算可得

式中Pp(z)是抽運光在位置Z處的功率,其值與初始抽運強度以及光纖吸收和損耗有關.由(4)式可以直觀的看出,激光上能級粒子數密度N2(z,t)隨時間的變化趨勢與exp[-(Γpλp(σa+σe)Pp(z)/hcA+1/τ)t]有關,其時間變化率隨t的增長而逐漸減小,其值逐漸趨近于ΓpλpσaNPp(z)τ/[Γpλp(σa+σe)Pp(z)τ+hcA].以常用的摻Yb3+光纖激光器為例,取表1中數值進行計算,不同抽運功率下上能級粒子數N2隨時間t變化如圖1(a)所示.

有源光纖中儲存的能量與上能級粒子數的關系式為[3,16,19]:

式中L為有源光纖長度,將(4)式代入上式得:

有源纖長度L取1 m,其他各參數取表1數值.根據上式可以得到不同抽運功率下有源光纖中存儲的能量E與時間t的關系如圖1(b)所示.

從圖1中可知,有源光纖儲能與上能級粒子數密度均隨時間t增加,最后趨于飽和,抽運光功率越大,達到飽和經歷的時間越短,且最終上能級粒子數密度及儲能越大.實際過程中考慮到自發輻射會消耗一部分反轉粒子數(儲能),因此實際的上能級粒子數及光纖儲能最大值會略小于該理論值,但各物理量之間的相互關系以及變化趨勢應保持不變.

圖1 不同抽運功率下(a)激光上能級粒子數密度,(b)有源光纖儲能隨時間t的變化關系Fig.1.(a) Upper laser level population density and (b) energy storage as functions of time under different pump power.

2.2 能級壽命測量理論模型

在脈沖種子光的放大過程中,有源光纖中存儲的能量被注入的脈沖種子光所提取.如種子光較弱,不足以實現對有源光纖儲能的充分提取,儲能會隨時間t的增長波動上升,最終在(6)式右邊第二項決定的飽和值附近波動;如種子光功率較強,當種子光經過有源光纖、對其中的儲能充分提取后,有源光纖在抽運光作用下重新開始儲能,過程如圖2(a)所示.圖2(b)給出了模擬的在種子光充分提取有源光纖儲能的條件下輸出脈沖強度與種子光脈沖重復頻率 (pulse repetition rate,PRR)之間的關系.

種子光PRR較低時,下一個脈沖種子光到來前上能級粒子數有足夠的時間得到補充,此時種子光的增益較高、輸出脈沖強度較大;隨著種子光PRR的增加,在兩個相鄰的種子光脈沖間隔內有源光纖中的儲能沒有得到充分積累,此時種子光的增益較低,輸出脈沖強度減小.由種子光PRR決定的激光儲能過程周期影響著種子光的增益(強度),因此,在保證種子光能充分提取有源光纖儲能的前提下,不同PRR種子光放大過程的增益特性也可以反映有源光纖儲能隨時間的變化關系.

當有源光纖儲能降到飽和值的(1 — 1/e)倍時,由(6)式可知

化簡該式可得

可知1/t和Pp(z)呈線性關系,如能實現對光纖儲能過程的實驗測量,理論上根據測量數據及有源光纖自身參數就可以得到有源光纖中摻雜稀土離子的上能級壽命τ.由于實驗上難以實現對光纖儲能過程的直接測量,具體測量時,我們利用不同PRR種子光放大過程的能量特性來反映有源光纖儲能的變化.由前面分析可知,在脈沖種子光的放大過程中,因為有源纖的儲能時間等于種子光的脈沖間隔(或種子光PRR值的倒數),所以(8)式中的1/t可用種子光PRR值代替.通過實驗可以測量有源纖放大后輸出脈沖能量下降到PRR較低時 (＜1 kHz)輸出脈沖能量的 (1 — 1/e)倍時的PRR值,以常用的摻鐿脈沖光纖激光放大器為例,圖3給出了在抽運功率3 W時激光器輸出單脈沖能量隨種子光PRR變化的關系曲線.

當種子光 PRR 較低 (＜1 kHz)時,脈沖能量隨種子光PRR變化不明顯,其平均值約為125 μJ;而隨著種子光PRR的繼續增大,其輸出能量由于儲能時間的變短而發生明顯下降,當輸出單脈沖能量下降 (1 — 1/e)倍到 79 μJ 時,對應的種子光PRR為3 kHz,該值即為(8)式中時間項的倒數1/t,理論上代回(8)式即可得到激活離子的上能級壽命.但實際測量中,K不僅與有源光纖自身參數有關,熔接點損耗、種子光脈沖能量大小、有源光纖長度等的影響也會在K值上體現,導致K不能準確計算.為克服這一問題,我們在改變抽運功率后重復上述實驗操作,可以獲得一系列單脈沖能量下降到 (1 — 1/e)倍時的 PRR 值;對測量數據進行線性擬合得到抽運功率Pp(z)和該PRR值的關系,擬合線在PRR坐標軸上截距的意義為Pp(z)=0,此時式 (7)變為 1/t=1/τ,即擬合線在 PRR 坐標軸上截距的倒數為該有源光纖中稀土離子上能級壽命.通過取擬合線在PRR坐標軸上的截距,克服了K值改變導致的測量困難;另外,對不同抽運功率下的數據進行線性擬合本身也體現了多次測量取平均的過程.

圖3 輸出脈沖能量與種子光重復頻率關系曲線(抽運功率 3 W)Fig.3.Output pulse energy as a function of PPR (3 W launched pump power).

3 實驗結果與討論

為驗證上述有源光纖中稀土離子能級壽命測量理論模型的合理性,以摻鐿有源光纖中Yb3+的能級壽命測量為例,我們設計了如圖4所示的實驗系統.

系統由種子源 (Seed laser)、預放大級(Preamplifier)和功率放大級(Power amplifier)三部分組成,待測有源光纖用做功率放大級的增益光纖.Agilgent 81160 A 型任意波形發生器 (AWG)控制種子源激光器 (中心波長 1064.3 nm,峰值功率3 mW)產生PRR和脈寬可調的種子光.為保證種子光能夠充分提取待測有源光纖中存儲的能量,首先由預放大級對種子光進行預放大.預放大級熔接的包層光剝離器(CLS)用于濾除多余的抽運光,CLS后熔接中心波長1064 nm、帶寬3 nm的帶通濾波器(BPF)用于濾除ASE光,BPF后熔接隔離器(ISO)防止功率放大級產生的后向光損壞前級器件.預放大后的種子光和中心波長為976 nm的抽運光由 (2+1)×1 合束器 (Combiner)耦合到待測光纖中,待測光纖后通過CLS濾除多余抽運光,并在輸出端切8°角以減少端面反射,最終輸出的脈沖光由OPHIR PE10-C型脈沖能量計進行探測.

圖4 基于摻鐿光纖激光放大器的激光上能級壽命測量實驗裝置Fig.4.Experimental setup of the Ytterbium-doped amplifier in the upper-laser-level lifetime measurement.

圖5 種子光 PRR 為 1 kHz、脈寬為 2.25 μs時 (a)預放大前后光譜,(b)預放大前后脈沖形狀Fig.5.(a) Optical spectra and (b) pulse waveform of the seed pulse and pre-amplifier output (seed PRR of 1 kHz and pulse duration of 2.25 μs).

實驗中將種子光PRR和脈寬分別設置為1 kHz 和 2.25 μs時,對種子源輸出光譜及脈沖形狀和經預放大級放大后的光譜及脈沖形狀進行了監測,如圖5(a)和圖5(b)所示.由于脈沖光放大過程中前沿增益大于后沿,為提高放大后單脈沖能量和系統穩定性,種子光脈沖前沿設置為1.5 μs,經預放大后獲得了信噪比30 dB單脈沖能量11 μJ的脈沖光輸出.利用該系統分別對 1 m長Liekki公司的LMA-YDF-12/125光纖(包層吸收系 數 為 11 dB/m @976 nm)、 Nufern 公 司 的PLMA-YDF-10/125-M光纖 (包層吸收系數為4.95 dB/m @976 nm)和 SM-YDF-5/130光 纖(包層吸收系數為 1.65 dB/m @976 nm)、以及纖芯/包層直徑為6/125 μm的摻Yb3+雙包層光纖(包層吸收系數為 0.8 dB/m @976 nm)進行了測量.測量結果如圖6所示.

可以看出,擬合直線在PRR軸(縱軸)上的截距分別為 1.58,1.53,1.30,1.18 kHz,對應的倒數0.63,0.65,0.77,0.85 ms分別為四種有源光纖中Yb3+的上能級壽命.測量結果與文獻[6,13,14]中提到的光纖中Yb3+能級壽命值符合.

根據雙包層有源光纖摻雜粒子數密度計算公式

可求得被測光纖摻雜粒子數密度,式中 Aclad是包層面積、 Acore是 纖芯面積、 αp是光纖對976 nm抽運光的吸收系數、 σap是Yb3+對976 nm抽運光的受激吸收截面.由 (9)式可計算得,LMA-YDF-12/125 摻雜粒子數密度為 1.06×1028m—3,SMYDF-5/130 摻雜粒子數密度為 9.88×1027m—3,PLMA-YDF-10/125-M摻雜粒子數密度為6.85×1027m—3,YDF-6/125 摻雜粒子數密度為 3.08×1027m—3.結合前面對 Yb3+壽命的測量結果可以看出,Yb3+粒子數密度越大測得的壽命越小,這與激光玻璃或晶體中Yb3+壽命隨摻雜粒子數密度的變化趨勢是一致的.

上述四種有源光纖中Yb3+的上能級壽命是在種子光脈沖能量11 μJ的條件下測得的,根據有源光纖中稀土離子能級壽命測量理論模型可知,在保證種子光充分提取有源光纖儲能的條件下,測量結果不應隨種子光能量變化而改變.為檢驗這一推論,我們用不同能量的種子光對Nufern公司的PLMA-YDF-10/125-M光纖進行了測量,測量結果如圖7所示.

注入到有源光纖放大級的種子光脈沖能量為11,16,25 μJ 時,對應的測量結果在 PRR 坐標軸上的截距分別為 1.30,1.31,1.31 kHz.雖然擬合直線斜率不同,但它們在PRR坐標軸上的截距是一致的.考慮到測量誤差的影響,當種子光脈沖能量能充分提取有源光纖儲能時,可以認為種子光脈沖能量不影響測量結果.這與實驗預期相符,進一步證明了該理論模型的合理性.

圖6 激光上能級壽命測量結果(a) LMA-YDF-12/125光纖;(b) SM-YDF-5/130光纖;(c) PLMA-YDF-10/125-M光纖;(d) YDF-6/125 光纖Fig.6.Upper-laser-level lifetime measurement result of (a) LMA-YDF-12/125,(b)SM-YDF-5/130,(c) PLMA-YDF-10/125-M and(d) YDF-6/125 fibers.

圖7 種子光脈沖能量為 11,16,25 μJ 時對 PLMA-YDF-10/125-M光纖的測量結果Fig.7.Test results of PLMA-YDF-10/125-M at 11 μJ,16 μJ and 25 μJ seed pulse energy.

4 結 論

本文提出了一種測量有源光纖中稀土離子上能級壽命的方法: 基于速率方程理論可以得到脈沖光纖放大器中反轉粒子數和有源光纖儲能隨泵浦功率和時間的變化關系,而在保證種子光對儲能充分提取的前提下,有源光纖中的儲能可以通過放大器的輸出能量反映出來.因此,實驗測量不同泵浦功率下光纖激光放大器輸出單脈沖能量隨種子光脈沖重復頻率的變化關系,即可計算得到激活離子的激光上能級壽命.根據理論模型實驗搭建了1.06 μm摻Yb3+脈沖激光放大系統對幾種常用摻Yb3+光纖的激光上能級壽命進行了測量,測量結果與其他研究人員相關報道中的結果相符,驗證了該方法和理論模型的合理性.