光纖放大器放大自發(fā)輻射特性與高溫易損點位置?

羅億 王小林 張漢偉 粟榮濤 馬鵬飛 周樸 姜宗福

(國防科學技術大學光電科學與工程學院,高能激光技術湖南省重點實驗室,大功率光纖激光湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心,長沙 410073)

光纖放大器放大自發(fā)輻射特性與高溫易損點位置?

羅億 王小林?張漢偉 粟榮濤 馬鵬飛 周樸 姜宗福?

(國防科學技術大學光電科學與工程學院,高能激光技術湖南省重點實驗室,大功率光纖激光湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心,長沙 410073)

光纖放大器,放大自發(fā)輻射,溫度特性

1 引 言

Yb3+離子能級結構簡單、量子效率高、無激發(fā)態(tài)吸收和濃度淬滅,成為目前高功率激光放大的首選[1,2].摻Yb3+雙包層光纖放大器由于具有結構簡單、空間光束質量好、轉換效率高以及穩(wěn)定性高等優(yōu)點受到越來越多的關注.在摻Yb3+雙包層光纖放大器中,為了獲得高功率的激光輸出,一般采用主振蕩功率放大(MOPA)結構,在該過程中產生的放大自發(fā)輻射(ASE)將被逐級放大,由于存在光纖端面反射,容易誘發(fā)寄生振蕩,損壞器件,甚至燒毀放大器,故ASE成為限制放大器功率提升的主要因素[3,4].在高功率光纖放大器中,由于摻Yb3+雙包層光纖的特殊波導結構,導致激光能量被束縛在微米量級的纖芯中,隨著激光功率的增長,光纖中的熱效應會越來越嚴重,導致纖芯溫度急劇升高,造成增益光纖的熱損壞,影響輸出光束質量,嚴重限制了激光功率的進一步提升[5?8].在實際的高功率光纖放大器實驗中,時常發(fā)現(xiàn)增益光纖抽運注入熔接點后10—50 cm處容易發(fā)生光纖燒毀的現(xiàn)象.由于種子功率、抽運功率和抽運吸收等因素會影響光纖中的ASE和溫度特性,因此為了對實際實驗中放大器的最高溫度和易損點位置進行理論預判,根據(jù)速率方程理論和熱傳導理論,研究了種子功率、抽運功率和抽運吸收對ASE和溫度特性的影響,對不同抽運波長下ASE在總功率中所占的比例、最高溫度點在光纖中的位置、最高溫度與抽運注入熔接點的溫差比例進行了分析.根據(jù)仿真結果,從光纖放大器的ASE抑制、最高溫度點溫度控制角度出發(fā),對光纖放大器在種子功率、抽運功率、抽運吸收、放大倍率和抽運波長等方面的設計給出了指導性的建議,為放大器設計提供參考,為故障判斷提供依據(jù).

2 實驗基本現(xiàn)象與理論模型

2.1 實驗基本現(xiàn)象

在光纖放大器實驗中,在沒有后向布里淵散射、熔點瑕疵和輸出端帽損傷的情況下,經常發(fā)現(xiàn)光纖放大器會在距離抽運注入端的10—50 cm處燒毀.表1給出了兩個實驗的基本狀態(tài)和損傷位置.對多個類似的實驗進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)類似光纖燒毀的情況下,損傷點都在距離抽運注入增益光纖熔點的10—50 cm左右.為了對實驗現(xiàn)象進行定性分析,便于對實驗提供指導,建立了相關的理論模型,對放大器中的ASE和纖芯溫度等特性進行了理論研究.基于后向抽運合束器的制作難度大,價格昂貴,以及前向抽運有實驗結果可以參照等原因,本文僅仿真分析了前向抽運條件下放大器中的ASE和纖芯溫度等特性.

表1 不同實驗中光纖的損傷位置Table 1.Damage location of fiber with different experiments

2.2 理論模型

2.2.1 速率方程理論模型

在穩(wěn)態(tài)條件下,不考慮非線性效應時,根據(jù)Yb3+離子的二能級簡化結構和激光在光纖中的傳輸特性,連續(xù)光纖激光器的速率方程組可以簡化為[9?11]:

式中c=2.99792458×108m/s為光速;h=6.62606896×10?34J/s為普朗克常數(shù);N0(z)為總的摻雜離子濃度;N2(z)為激發(fā)態(tài)摻雜離子濃度;Γp,Γs分別為抽運光和信號光的光場模式與摻雜離子區(qū)域的填充因子,對于雙包層增益光纖而言,抽運填充因子近似等于增益光纖的纖芯和內包層的面積比,即Γp= 纖芯面積/內包層面積,信號填充因子與增益光纖的纖芯直徑有關,為了簡化模型,通常取只傳輸基模時的數(shù)值,約為1;分別為抽運光在增益光纖中傳輸?shù)恼?、反向功?分別為信號光在增益光纖中傳輸?shù)恼?、反向功?λp,λs分別為抽運光、信號光的波長;σap,σep分別為抽運光的吸收和發(fā)射截面;σas,σes分別為信號光的吸收和發(fā)射截面;αp,αs分別代表抽運光、信號光的衰減系數(shù);τ為Yb3+離子的上能級壽命,約為850μs;Aeff為有效模式面積:

(1)式和(2)式分別描述了前向和后向抽運光在空間上的光功率微分增量,包括粒子對抽運光的吸收與發(fā)射以及抽運光自身的傳輸衰減.(3)式和(4)式分別描述了前向和后向信號光在空間上的光功率微分增量,包括粒子對信號光的吸收與發(fā)射、信號光自身的傳輸衰減以及信號光中各波長帶寬內(Δλs)的自發(fā)輻射.(5)式描述了增益光纖中的上能級粒子數(shù)在總粒子數(shù)中所占的比例,與抽運光和信號光的吸收、發(fā)射以及有效模式面積和Yb3+離子的上能級壽命有關.(6)式表示粒子總數(shù)守恒.

在前向抽運的光纖放大器中,邊界條件為:

在進行數(shù)值仿真時,用差分迭代法即dP(z)/dz=[P(z+Δz)?P(z)]/Δz,求解上述偏微分方程組,得到P(z+Δz)的表達式,根據(jù)邊界條件,代入初始條件,不斷迭代循環(huán)求解,即可求得光纖放大器的輸出功率.

2.2.2 增益光纖溫度理論模型

雙包層光纖主要由纖芯(I區(qū))、內包層(II區(qū))、外包層及涂覆層(III區(qū))組成,半徑分別為r1,r2和r3,結構如圖1所示.

圖1 雙包層光纖結構圖Fig.1.Structure diagram of the double-cladding fiber.

由于摻Yb3+雙包層光纖的徑向溫度變化不大,而軸向溫度變化明顯,因此只考慮纖芯溫度沿光纖軸向的分布[12].根據(jù)熱傳導方程和邊界條件,得到各部分的溫度.纖芯區(qū)溫度T1、內包層區(qū)溫度T2、外包層區(qū)溫度T3分別為[5]:

其中T0為纖芯溫度[13]:

一般情況下,光纖內熱源表達式可表示為[14]

式中h為對流/覆層材料的熱傳遞系數(shù);Tc為環(huán)境制冷溫度;r為極坐標半徑;κ1為纖芯導熱系數(shù);κ2為內包層導熱系數(shù);κ3為外包層導熱系數(shù);N0為總的摻雜離子濃度;N2為激發(fā)態(tài)摻雜離子濃度;λs,λp分別為信號光和抽運光的波長,αs為信號光線性吸收系數(shù),Ap為包層面積;分別為抽運光吸收、發(fā)射截面;PP為抽運功率;Is為信號光功率密度.將熱源表達式(17)代入方程(13)—(16)中,即可求得光纖中的溫度分布.

3 數(shù)值仿真

根據(jù)第2節(jié)中的數(shù)學模型,結合實際情況,選擇纖芯/包層直徑為20/400μm的摻Yb3+雙包層光纖進行數(shù)值仿真.為了使模型更接近實際情況,仿真中考慮了多波長抽運和多波長信號光輸出.仿真中用到的主要參數(shù)如表2所列(表中只列出了抽運中心波長和信號中心波長的吸收發(fā)射截面,其他波長的吸收發(fā)射截面對照圖2中Yb3+離子的吸收發(fā)射截面取得,圖2為室溫下Yb3+離子的吸收發(fā)射截面.利用吸收發(fā)射截面隨溫度變化關系[15],計算了293 K和353 K情況下的吸收發(fā)射截面及光纖溫度分布和光譜圖,結果表明本仿真中的溫度變化對吸收發(fā)射截面、光纖最高溫度點位置和溫度值、ASE均影響不大.其他公開發(fā)表的文獻中也給出了類似的結論[16].因此為了簡化模型,忽略了溫度變化引起的Yb3+離子吸收發(fā)射截面的變化.

圖2 Yb3+離子的吸收、發(fā)射截面Fig.2. Absorption and emission cross sections of Yb3+.

利用上述模型,對滿足實驗條件的參數(shù)進行仿真,得到增益光纖內部溫度分布和輸出光譜如圖3所示.結果表明,放大器增益光纖內部溫度最高點距離抽運注入熔接點45 cm左右,與實驗狀態(tài)下的位置基本符合,具體數(shù)值的差異是由于實際實驗參數(shù)與理論仿真輸入參數(shù)不完全一致導致的;輸出激光中,ASE偏向長波長1080 nm波段,在高功率連續(xù)激光放大實驗中,ASE的出現(xiàn)限制了激光功率的提升,降低了系統(tǒng)的信噪比.為了對這一現(xiàn)象進行深入分析,下面分別對不同抽運波長情況下的種子功率、抽運功率和抽運吸收對輸出激光ASE特性和高溫易損點的位置進行研究.

表2 仿真參數(shù)Table 2.Parameters of the simulation.

圖3 915 nm抽運的仿真結果 (a)光纖內部溫度分布;(b)輸出光譜Fig.3.Simulation results with 915 nm pumped:(a)Temperature distribution in fiber interior;(b)output spectrum.

3.1 種子功率對ASE和溫度特性的影響

由于種子功率的增加會增強受激輻射,消耗更多的上能級粒子數(shù)[17],從而降低ASE對能量的提取,同時也會產生更多的廢熱,導致光纖溫度升高,故種子功率的大小會影響ASE功率、放大器的穩(wěn)定性和輸出特性[18].在高功率的光纖放大器中,為了提升輸出功率,需要在抑制ASE的同時,對增益光纖中的熱分布進行有效管理,因此有必要對增益光纖中的ASE和溫度特性進行研究.當種子功率的范圍為1—100 W、抽運功率為1000 W時,分別對不同抽運波長下ASE在總功率中所占的比例、最高溫度點在光纖中的位置、最高溫度與抽運注入熔接點的溫差比例進行了分析,研究了種子功率對ASE和溫度特性的影響.

ASE在總功率中所占的比例如圖4所示,可以看出,ASE在總輸出功率中所占的比例都隨種子功率的增加逐漸減小,兩種抽運波長下的變化曲線幾乎相同,只是數(shù)值不同,數(shù)值的差異是由于增益光纖對兩種抽運光吸收的強弱和增益光纖長度不同造成的.在仿真中,增益光纖對抽運光的總吸收系數(shù)為15 dB,由于增益光纖對915 nm的抽運光的吸收較弱(即吸收系數(shù)較小),所以915 nm抽運時增益光纖的長度更長,導致ASE在總功率中所占的比例大于975 nm抽運時ASE在總功率中所占的比例.不同種子功率下的ASE功率和輸出功率如圖5所示,隨著種子功率的增加,兩種抽運波長下的ASE功率都逐漸減小,輸出功率幾乎都呈線性增長;在種子功率較小時,系統(tǒng)放大倍率較高,ASE較為嚴重;在相同的種子功率下,975 nm抽運時的輸出功率更高,ASE功率更小,因此975 nm抽運時光纖放大器的性能更佳.結合圖4和圖5可知,當種子功率超過10 W后,ASE在總功率中所占的比例及ASE功率的下降趨勢都逐漸減緩,這是由于種子功率的提高增強了種子對增益光纖中儲存能量的提取,從而抑制了ASE的功率增長.

為了研究ASE在總功率中所占的比例隨種子功率急劇變化的部分,將種子功率限定在10 W以內,仿真結果如圖6所示.由圖6可以看出,915 nm和975 nm抽運,當種子功率在1 W以內時,ASE在總功率中所占的比例下降得比較迅速,之后逐漸趨于平緩.因此在實際實驗中,為了抑制ASE,種子功率應大于10 W;若種子功率較小,應盡可能讓其大于1 W,才能得到有效放大,且放大倍率不宜太高,否則ASE功率會迅速增長,后向傳輸?shù)腁SE容易損壞前端器件.

圖4 不同種子功率下ASE在總功率中所占的比例 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.4.Ratio of ASE to total power with different seed power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖5 (網刊彩色)不同種子功率下的ASE功率和輸出功率 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.5.(color online)ASE power and output power with different seed power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖6 不同種子功率下ASE在總功率中所占的比例 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.6.Ratio of ASE to total power with different seed power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖7 不同種子功率下最高溫度點在光纖中的位置 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.7.Position of the maximum temperature point in the fiber with different seed power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖8 上能級粒子數(shù)在增益光纖中的分布 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運(插圖:上能級粒子數(shù)在增益光纖(2 m內)中的分布)Fig.8.Distribution of upper level population in gain fibers:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.Inset:the distribution of upper level population in gain fibers(within 2 meters).

最高溫度點在光纖中的位置如圖7所示,可以看出,在兩種抽運波長下,隨著種子功率的增加,纖芯最高溫度點在光纖中的位置都逐漸接近于抽運注入熔接點.這是由上能級粒子數(shù)在增益光纖中的分布和種子功率對光纖中儲存能量的提取決定的.在種子功率為10 W、抽運功率為1000 W時,上能級粒子數(shù)沿增益光纖的分布如圖8所示,距離抽運端熔接點越近,上能級粒子數(shù)越多,種子功率可以提取的能量越多,而且種子功率的增加可以增強受激輻射,消耗更多的上能級粒子數(shù),進而產生更多廢熱,故纖芯最高溫度點隨種子功率的增加逐漸接近抽運端熔接點.915 nm抽運時,當種子功率超過53 W后,纖芯最高溫度點固定在抽運端熔接點處;975 nm抽運時,當種子功率超過8 W后,纖芯最高溫度點固定在抽運端熔接點處.兩者之間的差異是由于增益光纖對915 nm和975 nm抽運光的吸收強弱不同和上能級粒子數(shù)的分布差異造成的.由于增益光纖對975 nm的抽運光的吸收更強,導致在增益光纖前端(2 m內)的同一位置處975 nm抽運時的上能級粒子數(shù)更多,如圖8所示.在相同的種子功率下,975 nm抽運時,種子在增益光纖前端(2 m內)的同一位置處可以提取更多的能量,產生更多熱量,故975 nm抽運時,纖芯最高溫度點隨種子功率的增加更快地接近抽運端熔接點.

975 nm抽運時,由于種子功率超過8 W后,最高溫度點在光纖中的位置固定不變,故將種子功率限定在10 W以內,研究最高溫度點在光纖中的位置隨種子功率的變化.仿真結果如圖9所示,可以看出,915 nm和975 nm抽運時,最高溫度點在光纖中的位置都隨種子功率的增加而呈階梯狀逐漸接近于抽運注入熔接點,受上能級粒子數(shù)的限制,接近趨勢逐漸減緩.

圖9 不同種子功率下最高溫度點在光纖中的位置 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.9.Position of the maximum temperature point in the fiber with different seed power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖10 最高溫度與熔接點的溫差比例隨種子功率的變化 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.10.The temperature difference ratio between the maximum temperature and the fusion point with different seed power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例如圖10所示,由圖可以看出,在兩種抽運波長下,隨著種子功率的增加,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例都急劇下降,最后趨于穩(wěn)定.915 nm抽運時,當種子功率超過53 W后,其比例降為0;975 nm抽運時,當種子功率達到8 W后,其比例降為0,說明此時熔接點的溫度最高.在實際實驗中,為了保證放大器穩(wěn)定安全地運行,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例一般應低于10%,由于975 nm抽運時,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例遠低于10%,故采用975 nm抽運在提高種子功率抑制ASE和提升輸出功率方面更有優(yōu)勢.

為了研究最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例隨種子功率急劇變化的部分,將種子功率限定在10 W以內,仿真結果如圖11所示.由圖可以看出,915 nm抽運時,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例隨種子功率的增加呈下降趨勢,且下降趨勢逐漸減緩.在實際實驗中,為了保證放大器穩(wěn)定安全地運行,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例應低于10%,因此種子功率最好超過7 W.975 nm抽運,當種子功率低于0.3 W時,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例隨種子功率的增加而增加,這與小信號增益的放大及小信號增益對能量的提取有關,故在進行小信號放大時,種子功率應高于0.3 W,才能有效提取增益光纖中儲存的能量,得到有效放大;當種子功率超過0.3 W時,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例隨種子功率的增加而下降;當種子功率達到8 W后,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例降為,說明此時熔接點的溫度最高.

圖11 最高溫度與熔接點的溫差比例隨種子功率的變化 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.11.Temperature difference ratio between the maximum temperature and the fusion point with different seed power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

綜上所述,在相同的抽運功率下,當種子功率較小時,光纖放大器中的ASE較為嚴重,系統(tǒng)放大倍率較高,最高溫度點與抽運注入熔接點有一定距離.在實際實驗中,為了保證放大器穩(wěn)定安全地運行,應注意控制最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例低于10%,同時ASE功率不宜太大.因此,915 nm抽運時,種子功率最好超過7 W;975 nm抽運時,種子功率最好不低于8 W.在相同條件下,975 nm抽運時,光纖放大器的性能更佳.

3.2 抽運功率對ASE和溫度特性的影響

抽運功率的大小會影響ASE功率和放大器的溫度特性,這是因為抽運過多會導致增益飽和,多余的抽運光轉化為ASE,導致ASE功率迅速增長,同時增益光纖中的纖芯溫度也會迅速升高.在高功率光纖放大器中,為了有效利用抽運功率得到高功率輸出,同時抑制ASE和控制增益光纖纖芯溫度,需要選擇合適的抽運功率.當抽運功率的范圍為500—5000 W、種子功率為10 W時,分別對不同抽運波長下ASE在總功率中所占的比例、最高溫度點在光纖中的位置、最高溫度與抽運注入熔接點的溫差比例進行了分析,研究了抽運功率對ASE和溫度特性的影響.

ASE在總功率中所占的比例如圖12所示,可以看出,ASE在總輸出功率中所占的比例都隨抽運功率的增加逐漸減小,兩種抽運波長下ASE在總功率中所占的比例的變化曲線大致相同,只是數(shù)值不同,數(shù)值的差異是由于增益光纖對兩種抽運光吸收的強弱和增益光纖長度不同造成的.不同抽運功率下的ASE功率和輸出功率如圖13所示,結合圖12可以看出,隨著抽運功率的增加,ASE功率和輸出功率幾乎都呈線性增長,但ASE在總功率中所占的比例逐漸減小,表明ASE功率的增長速率低于信號功率的增長速率;ASE在總功率中所占的比例的下降趨勢逐漸減緩,表明ASE功率的增長速率逐漸升高.這是由于光纖中的增益逐漸飽和,導致增益光纖對抽運功率的吸收率降低,過多的抽運功率使ASE功率迅速增長.在抽運功率較大時,系統(tǒng)放大倍率較高,ASE較為嚴重;在相同的抽運功率下,975 nm抽運時的輸出功率更高,ASE功率更小,因此975 nm抽運時光纖放大器的性能更佳.在實際實驗中,為了保護光纖放大器的前端器件,應注意控制抽運功率,避免ASE功率快速增長損壞前端器件.

圖12 不同抽運功率下ASE在總功率中所占的比例 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.12.Ratio of ASE to total power with different pump power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖13 (網刊彩色)不同抽運功率下的ASE功率和輸出功率 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.13.(color online)ASE power and output power with different pump power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

最高溫度點在光纖中的位置如圖14所示,可以看出,在兩種抽運波長下,隨著抽運功率的增加,最高溫度點在光纖中的位置都呈階梯狀逐漸遠離抽運端熔接點,這是因為隨著抽運功率的增加,上能級粒子數(shù)隨之增長,相同上能級粒子數(shù)在增益光纖中對應的位置逐漸遠離抽運端熔接點,如圖15所示(由于上能級粒子數(shù)在靠近抽運端熔接點2 m內變化較大,故只給出了上能級粒子數(shù)在增益光纖2 m內的變化趨勢圖),因此種子功率沿增益光纖長度方向可以提取更多能量,產生更多廢熱,導致最高溫度點遠離抽運端熔接點.915 nm抽運時,受限于上能級粒子數(shù)的飽和效應,最高溫度點遠離抽運端熔接點的速率逐漸減緩.975 nm抽運時,最高溫度點遠離抽運端熔接點的速率變化較小,這是由于增益光纖對975 nm的抽運光吸收較強造成的.

最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例如圖16所示,可以看出,915 nm抽運時,隨著抽運功率的增加,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例幾乎呈線性上升趨勢,這是因為隨著抽運功率的增加,上能級粒子數(shù)越多,種子功率能夠提取更多能量,產生更多廢熱,導致最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例越來越大.975 nm抽運時,隨著抽運功率的增加,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例在抽運功率小于1225 W時為,說明此時的熔接點即為溫度最高點,當抽運功率大于1225 W時,最高溫度與熔接點的溫差比例幾乎呈線性上升趨勢,這與圖14(b)的仿真結果一致.

綜上所述,在相同的種子功率下,當抽運功率較大時,光纖放大器中的ASE增長速率較快,放大器中的ASE較為嚴重,系統(tǒng)放大倍率較高,最高溫度點與抽運注入熔接點有一定距離.在實際實驗中,為了保證放大器穩(wěn)定安全地運行,應注意控制最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例低于10%,同時注意控制ASE的增長速率,系統(tǒng)中的ASE功率不宜太大.因此,915 nm抽運時,抽運功率最好不超過1250 W;975 nm抽運時,抽運功率不宜太大,應注意控制ASE的增長速率,使系統(tǒng)的ASE功率保持在器件的安全范圍內.在相同條件下,975 nm抽運時,光纖放大器的性能更佳.

圖14 不同抽運功率下最高溫度點在光纖中的位置 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.14.Position of the maximum temperature point in the fiber with different pump power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖15 (網刊彩色)不同抽運功率下上能級粒子數(shù)在增益光纖(2 m內)中的分布 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.15.(color online)The distribution of upper level population in gain fibers(within two meters)with different pump power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖16 最高溫度與熔接點的溫差比例隨抽運功率的變化 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.16.Temperature difference ratio between the maximum temperature and the fusion point with different pump power:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

3.3 抽運吸收對ASE和溫度特性的影響

在光纖放大器中,抽運吸收會影響ASE功率和放大器的輸出特性.合適的抽運吸收既能優(yōu)化放大器的輸出,又能抑制ASE.當抽運功率為1000 W、種子功率為10 W時,系統(tǒng)總吸收在10—25 dB的范圍內變化,對不同抽運波長下ASE在總功率中所占的比例、最高溫度點在光纖中的位置、最高溫度與抽運注入熔接點的溫差比例進行了分析,研究了抽運吸收對ASE和溫度特性的影響.

ASE在總功率中所占的比例如圖17所示,結合圖18可以看出,915 nm抽運時,ASE在總功率中所占的比例和ASE功率都隨抽運吸收的增加而增加,當抽運吸收超過20 dB后,ASE在總功率中所占的比例和ASE功率都迅速增長,故在實際實驗中應注意將一級放大的抽運總吸收控制在20 dB內;975 nm抽運時,隨著抽運吸收的增加,ASE在總功率中所占的比例和ASE功率都逐漸增加,增長速率變化不大,這是由于增益光纖對975 nm的抽運光吸收較強造成的.比較圖17(a)和圖17(b),975 nm抽運時的ASE在總功率中所占的比例比915 nm抽運時低兩個數(shù)量級,這是因為915 nm抽運時增益光纖對抽運光的吸收弱,在相同的總吸收下,增益光纖更長導致產生更多的ASE.不同抽運吸收下ASE功率和輸出功率如圖18所示,隨著抽運吸收的增加,ASE功率和輸出功率都逐漸增長,但輸出功率的增長速率逐漸減小,ASE功率的增長速率逐漸增大,這是由于種子功率對光纖中儲存能量的提取能力有限,過多的抽運吸收導致能量向ASE轉移.在抽運吸收較大時,系統(tǒng)放大倍率較高,ASE較為嚴重;在相同的抽運吸收下,975 nm抽運時的輸出功率更高,ASE功率更小,因此975 nm抽運時光纖放大器的性能更佳.

圖17 不同抽運吸收下ASE在總功率中所占的比例 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.17.Ratio of ASE to total power with different pump absorption:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖18 (網刊彩色)不同抽運吸收下的ASE功率和輸出功率 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.18.(color online)ASE power and output power with different pump absorption:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

最高溫度點在光纖中的位置如圖19所示,可以看出,915 nm抽運時,隨著抽運吸收的增加,最高溫度點在光纖上的位置逐漸接近于抽運端熔接點,這是因為隨著抽運吸收的增加,相同上能級粒子數(shù)在增益光纖中對應的位置逐漸接近于抽運端熔接點,如圖20(a)所示(由于上能級粒子數(shù)在靠近抽運端熔接點2 m內變化較大,故只給出了上能級粒子數(shù)在增益光纖2 m內的變化趨勢圖),因此種子功率在靠近抽運端熔接點可以提取更多能量,產生更多廢熱,導致最高溫度點逐漸接近抽運端熔接點;975 nm抽運時,最高溫度點在光纖上的位置保持不變,固定在抽運端熔接點處,這是由于增益光纖對975 nm的抽運光吸收較強從而能夠提供足夠上能級粒子數(shù)造成的.結合圖17(b)可知,在實際實驗中,由于增益光纖對975 nm的抽運光吸收較強,故為了抑制ASE應選擇吸收系數(shù)較小的增益光纖.

最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例如圖21所示,可以看出,915 nm抽運時,隨著抽運吸收的增加,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例幾乎呈線性上升趨勢,這是因為上能級粒子數(shù)的濃度梯度隨抽運吸收的增加而增加(如圖20(a)所示),導致種子功率對增益光纖中儲存的能量提取得更多,從而產生更多廢熱,使光纖溫度升得更高;975 nm抽運時,隨著抽運吸收的增加,最高溫度與抽運端熔接點的溫差比例均為0,表明抽運端熔接點即為溫度最高點,這與增益光纖對975 nm的抽運光吸收較強有關.

圖19 不同抽運吸收下最高溫度點在光纖中的位置比例 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.19.Position ratio of the maximum temperature point in the fiber with different pump absorption:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖20 (網刊彩色)不同抽運吸收下上能級粒子數(shù)在增益光纖(2 m內)中的分布 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.20.(color online)The distribution of upper level population in gain fibers(within two meters)with different pump absorption:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

圖21 最高溫度與熔接點的溫差比例隨抽運吸收的變化 (a)915 nm抽運;(b)975 nm抽運Fig.21.The temperature difference ratio between the maximum temperature and the fusion point with different pump absorption:(a)915 nm pump;(b)975 nm pump.

綜上所述,在相同的種子功率和抽運功率下,當抽運吸收較大時,光纖放大器中的ASE增長速率較快,放大器中的ASE較為嚴重,系統(tǒng)放大倍率較高,915 nm抽運時,最高溫度點與抽運注入熔接點有一定距離,975 nm抽運時,最高溫度點在抽運注入熔接點處.在實際實驗中,為了保證放大器穩(wěn)定安全地運行,應注意控制ASE的增長速率,系統(tǒng)中的ASE功率不宜太大.因此,915 nm抽運時,抽運吸收最好不超過20 dB;975 nm抽運時,由于增益光纖對975 nm的抽運光的吸收較強,抽運吸收不宜太大.在相同條件下,975 nm抽運時,光纖放大器的性能更佳.

4 結 論

本文針對實際放大器中光纖容易燒毀,且燒毀點的位置距離抽運端熔接點10—50 cm的實際情況,建立了基于速率方程和熱傳導方程的理論模型,理論仿真了光纖放大器中的ASE特性與最高溫度點的位置.結果表明,理論上最高溫度點的位置與實驗中實際損傷點的位置符合較好.進一步的詳細研究表明:在不同抽運波長下,當抽運功率一定時,種子功率越小,ASE功率越大,ASE在總功率中所占的比例越高,最高溫度點的位置距離抽運端熔接點越遠,最高溫度與熔接點的溫差比例越大;當種子功率一定時,抽運功率越高,ASE功率越大,ASE在總功率中所占的比例越低,最高溫度點的位置距離抽運端熔接點越遠,最高溫度與熔接點的溫差比例越大;915 nm抽運時,總的抽運吸收越強,ASE功率越大,ASE在總功率中所占的比例越高,最高溫度點的位置距離熔接點越近,最高溫度與熔接點的溫差比例越大;975 nm抽運時,總的抽運吸收越強,ASE功率越大,ASE在總功率中所占的比例越高,最高溫度點的位置固定在抽運端熔接點處.理論研究表明,915 nm抽運時,種子功率最好超過7 W,抽運功率最好不超過1250 W,抽運吸收最好低于20 dB;975 nm抽運時,種子功率最好不低于8 W,由于ASE功率隨抽運功率的增加而增長,所以抽運功率的選擇最好在器件安全范圍內,由于增益光纖對975 nm的抽運光的吸收較強,所以抽運吸收不宜太大;在相同的條件下,975 nm抽運時,光纖放大器的性能更佳.在光纖放大器的設計中,為了保證放大器的安全,放大器的放大倍率不宜過高,以小于50倍為宜,否則會導致放大器內部局部高溫,使得放大器存在燒毀的風險.

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Amplified spontaneous emission characteristics and locations of high temperature vulnerable point in fiber amplifiers?

Luo YiWang Xiao-Lin?Zhang Han-WeiSu Rong-Tao Ma Peng-FeiZhou Pu Jiang Zong-Fu?

(Hunan Provincial Collaborative Innovation Center of High Power Fiber Laser,Hunan Provincial Key Laboratory of High Energy Laser Technology,College of Optoelectronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

27 December 2016;revised manuscript

18 July 2017)

Master oscillator power amplifier(MOPA)is a common con figuration in fiber lasers to obtain high power output.Amplified spontaneous emission(ASE)is amplified stage by stage by MOPA,which may result in damage to the fiber amplifier.In the experiment of high-power fiber amplifier,thermal effect is one of the most critical issues.High temperature from significant thermal effect would restrict the further improvement of laser power and cause the fiber to damage.In most of the experiments,the gain fibers are broken usually at the place 10—50 cm away from the fused point of the pump injection end.To better understand in physics the highest temperature and the position of the burning point,we study the ASE and temperature characteristics by using the rate equation model of fiber laser and the thermal conduction model of gain fiber.We analyze the in fluences of seed power,pump power and pump absorption on Yb-doped double-cladding fiber amplifier.The results show that when magnification is relatively high and ASE is serious,the highest temperature point of the fiber amplifier is not at the fused point of the pump injection end but at the place 10—50 cm away from the fused point,which consists well with the experimental result.For studying the ASE suppression and the temperature control of the hottest point,we compare the three parameters in the 915 nm pumped case with those in the 975 nm pumped case,these being power ratio of ASE to the output laser,hottest location along the fiber,and the ratio of the temperature difference between the highest temperature and fusion point temperature to the latter one.It is concluded that the optimal parameters for the 915 nm pumped case are seed power larger than 7 W,pump power less than 1250 W,and pump absorption less than 20 dB.As to the 975 nm pumped case,it is suggested that the seed power should be not less than 8 W with an appropriate pump power.The research also implies that a better performance of fiber amplifier is pumped by 975 nm under the same condition.To prevent the local internal hot point from forming and the potential burnout risk from happening,the magnification of fiber amplifier needs to be set below 50-fold.In conclusion,this work presents a suggestion for optimizing the fiber amplifier design through using appropriate seed power,pump power,pump absorption,magnification and pump wavelength.

fiber amplifier,amplified spontaneous emission,temperature characteristics

PACS:42.60.Da,42.55.Wd,42.55.XiDOI:10.7498/aps.66.234206

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61505260,61735007).

?Corresponding author.E-mail:chinawxllin@163.com

?Corresponding author.E-mail:jiangzongfu7@163.com

(2016年12月27日收到;2017年7月18日收到修改稿)

在高功率光纖放大器實驗中,時常發(fā)現(xiàn)增益光纖抽運注入熔接點后10—50 cm處容易發(fā)生光纖燒毀現(xiàn)象.為了對該現(xiàn)象進行理論預測,基于光纖激光器速率方程模型和增益光纖的熱傳導模型,從種子功率、抽運功率和抽運吸收三個方面對摻鐿雙包層光纖放大器中的放大自發(fā)輻射(ASE)和溫度特性進行研究.結果表明,在放大倍率較高、ASE較為嚴重等情況下,光纖放大器中的最高溫度點一般不在抽運注入的熔接點處,而在距離熔接點10—50 cm處,與實驗中發(fā)現(xiàn)光纖燒毀的位置基本符合.從光纖放大器的ASE抑制、最高溫度點溫度控制角度出發(fā),對光纖放大器在種子功率、抽運功率、抽運吸收、放大倍率和抽運波長等方面的設計給出了指導性的建議.

10.7498/aps.66.234206?國家自然科學基金(批準號:61505260,61735007)資助的課題.

?通信作者.E-mail:chinawxllin@163.com

?通信作者.E-mail:jiangzongfu7@163.com