隨機光纖激光功率輸出及再生的研究

隨機光纖激光功率輸出及再生的研究

1控制線寬和濾波種子源濾波放大效果2010年，turisyn等人。本文搭建了一個窄光譜隨機光纖激光器種子源,以摻鐿光纖作為增益、單模光纖提供隨機分布反饋(RDFB),并通過窄譜光纖光柵控制線寬,獲得了半峰全寬(FWHM)為0.34nm的窄光譜隨機激光輸出。采用窄譜光纖光柵對種子源濾波以壓縮其線寬,而后分別對濾波和未濾波種子源進行MOPA,均獲得了1.1kW的隨機光纖激光放大輸出。未濾波種子源放大實驗中,激光輸出FWHM基本穩(wěn)定,均方根(RMS)譜寬最大展寬至1.24nm。而濾波種子源放大過程中,當(dāng)激光輸出FWHM在一定功率以上時發(fā)生了明顯展寬,在最大功率時RMS譜寬為0.92nm。2增益介質(zhì)及激發(fā)光催化反應(yīng)圖1為隨機光纖激光MOPA實驗裝置示意圖,整個系統(tǒng)由一個窄帶隨機光纖激光種子源加一級光纖放大器組成。隨機光纖種子源采用前向抽運的半開腔結(jié)構(gòu),以一個最大功率為25W、中心波長為976nm的激光二極管(LD)連接(2+1)×1合束器提供抽運,長為1.5m的大模場摻鐿雙包層光纖(LMA-YDF)提供增益,纖芯和內(nèi)包層直徑分別為10,130μm。選用窄光譜高反光纖布拉格光柵(HR-FBG)限制種子源的輸出線寬,其中心波長為1067.4nm,13dB帶寬(95%)為0.3nm。長為2km的單模光纖提供隨機分布反饋,纖芯和包層直徑分別為6,125μm。整個種子源的剩余光纖端都切成8°角以防止菲涅耳反射反饋。放大器部分,長為10m的LMA-YDF作為增益介質(zhì),纖芯和內(nèi)包層直徑分別為20,400μm,抽運源由一個(6+1)×1合束器和4個最大功率為350W、中心波長為976nm的LD組成。增益光纖盤繞在鋁制水冷盤上,并且通過合適的盤繞直徑以衰減高階模。增益光纖末端與包層光濾除器(CPS)熔接,再與準(zhǔn)直光纜連接后輸出,使用功率計(PM)等設(shè)備測量輸出激光特性。放大器與隨機激光種子源之間,加入模場適配器(MFA)和大功率隔離器(ISO)隔離放大器回光,保護隨機激光種子源,同時加入2×2耦合器(耦合比1…99),用于放大過程中放大器回光的監(jiān)測。3結(jié)果與分析3.1抽運功率穩(wěn)定的ase種子源閾值逐漸增加種子源的抽運功率,當(dāng)注入的抽運功率超過0.9W時,可以獲得隨機激光輸出,種子源輸出功率隨抽運功率的變化關(guān)系如圖2(a)所示。當(dāng)抽運功率超過19W時,種子源出現(xiàn)較為明顯的放大自發(fā)輻射(ASE)現(xiàn)象,繼續(xù)增加抽運功率,則激光輸出功率不再提升,并出現(xiàn)較強的1030nm波段回光。這是因為種子源中的隨機分布反饋較弱,隨著抽運功率的增強,ASE引起的自激或寄生振蕩在增益競爭中逐漸處于有利地位。為此,將種子源抽運功率穩(wěn)定在ASE產(chǎn)生閾值以下,此時種子源最大輸出功率為5.1W,光光效率為28.1%。使用光譜儀(OSA)測得輸出光譜如圖2(b)所示,中心波長為1067.5nm,FWHM為0.34nm,信噪比為35dB。將種子源輸出衰減后連接到200MHz的光電探測器(PD),并分別連接示波器(OSC)和頻譜分析儀(ESA),用于探測激光輸出的時域特性和強度噪聲譜,測量結(jié)果如圖2(c)所示,可觀測到種子激光輸出穩(wěn)定,不存在穩(wěn)定的縱模結(jié)構(gòu),符合隨機激光特點。3.2種子源前向輸出與放大器回光能力保持種子源在最高功率5.1W下連續(xù)輸出,逐步加載放大器中的4個LD電流,在加載過程中將放大器與種子源間的2×2耦合器端口與功率計連接,實時監(jiān)測種子源前向輸出與放大器回光,確保種子源與放大器都處于安全工作狀態(tài)。實驗裝置最終實現(xiàn)1102W激光輸出,功率變化曲線和回光功率如圖3(a)所示,放大器光光效率為78.5%?；毓夤β逝c激光輸出呈線性關(guān)系,如圖3(a)內(nèi)插圖所示,通過激光輸出光譜圖[圖3(b)]未觀測到異常光譜信息,可見放大器工作正常,未出現(xiàn)受激布里淵散射(SBS)和ASE現(xiàn)象。實驗中同時觀測到,系統(tǒng)展現(xiàn)出與Du等3.3放大過程中fwhm的運行實驗中激光光譜的FWHM保持穩(wěn)定,但RMS譜寬卻仍然展寬至1.24nm。從圖2(b)中看到,雖然種子源輸出光譜的FWHM與HR-FBG的帶寬基本相同,但光譜中基底成分較多。為此,將隨機激光種子源輸出端通過隔離器后,接入對波長1067nm高反的光柵(與種子源高反光柵參數(shù)相同)與環(huán)形器共同構(gòu)成的濾波器,將種子光光譜濾去基底部分實驗環(huán)境不變的情況下,將濾波后的隨機激光種子源接入原始MOPA系統(tǒng)中進行放大。由于種子源輸出功率較低,放大過程中緩慢增大放大器LD電流,同時通過2×2耦合器實時監(jiān)測放大器回光,確保種子源與放大器都處于安全工作狀態(tài)。實驗裝置功率變化曲線和回光功率如圖5(a)所示,放大器輸出功率與光光效率與原始放大實驗基本一致,最大輸出功率為1093W。放大過程中放大器回光功率與激光輸出功率仍然呈線性關(guān)系,但功率有所增長。同時從激光輸出光譜圖[圖5(b)]也未觀測到SBS和ASE現(xiàn)象,可見放大器工作正常。實驗中觀察到,放大激光的RMS譜寬隨著輸出功率線性增長,在最大輸出功率為1093W時展寬至0.92nm。但與原始實驗不同的是,放大過程中激光的FWHM在輸出功率500W以上時出現(xiàn)了明顯的展寬,不再具有線寬保持性質(zhì)。輸出激光時域特性和強度噪聲譜如圖5(d)所示,與原始放大實驗相同,不存在穩(wěn)定的縱模結(jié)構(gòu)。對比前后兩個放大實驗可以看到,雖然通過濾波明顯降低了輸出激光光譜最終的RMS譜寬,但濾波后其光譜展寬倍率是大于未濾波前的,而且FWHM在輸出功率大于500W以后不再保持穩(wěn)定。目前初步認(rèn)為是由于實驗中種子注入功率低,導(dǎo)致放大器ASE基底較原始實驗更大,如圖5(a)所示,放大器回光功率增長,種子激光在放大器傳播放大過程中受其影響而信噪比下降,強度噪聲變大,由此增強了自相位調(diào)制引起的頻譜展寬效應(yīng)。隨著隨機種子源的放大功率逐漸增大,其作用越來越明顯,當(dāng)超過一定閾值后,放大器就無法再保持FWHM了,這也造成了濾波后的RMS譜寬的光譜展寬倍率大于未濾波前的。其具體機理仍需要進一步理論分析與實驗驗證。5濾波放大過程中fwhm的線寬穩(wěn)定性報道了基于隨機光纖激光器種子源的MOPA結(jié)構(gòu)全光纖放大器。采用摻鐿光纖作為增益、長距離單模光纖提供隨機反饋,搭建了窄光譜隨機光纖激光種子源,種子源最大輸出功率為5.1W,FWHM為0.34nm。而后將該隨機激光在全光纖放大器中放大至1102W,得益于隨機激光種子源無穩(wěn)定縱模且強度波動微弱,放大過程中FWHM呈現(xiàn)出與之前文獻相同的線寬穩(wěn)定性質(zhì),但RMS譜寬會隨著輸出功率線性增長,最大輸出時展寬至1.24nm。為進一步壓縮線寬,通過濾波方式將種子源光譜濾去基底部分,并在相同放大器中放大至1093W,但與原始實驗不同的是,濾波放大過程中FWHM在超過一定功率后出現(xiàn)了明顯的展寬,在最大輸出功率時展寬至0.61nm,此時RMS譜寬為0.92nm。目前認(rèn)為是濾波后種子源注入功率低,放大器ASE基底變大,增強了種子激光傳播放大過程中的強度噪聲,進而導(dǎo)致在放大功率超過一定