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摻鐿拉曼放大器提升光纖激光器的功率

作者:Gail Overton

 

拉曼光纖激光器已經(jīng)能夠達(dá)到幾百瓦的功率水平。然而在拉曼光纖中,波分復(fù)用(WDM)組件通常對泵浦和種子激光進(jìn)行合束,從而使該組件成為實現(xiàn)更高功率的瓶頸。同樣地,用于泵浦1178nm拉曼光纖放大器(倍頻至589nm,用于自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在上層大氣中產(chǎn)生鈉導(dǎo)星)的1120nm鐿(Yb)光纖激光器,也深受放大自發(fā)輻射(ASE)和1060nm處寄生激光的影響,嚴(yán)重限制了1120nm光纖激光器的輸出。

 

為了解決這些問題,并創(chuàng)建高功率1120nm光纖激光源,中國科學(xué)院上海光機所(SIOM)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種集成的摻鐿拉曼光纖放大器(YRFA)架構(gòu),解決了拉曼光纖激光器和/或長波長摻鐿光纖激光器的功率提升問題。[1]放大器采用一段摻鐿光纖、其后跟隨一段拉曼增益光纖的結(jié)構(gòu),兩段光纖均采用雙波長激光器作為種子源,以避免寄生激光和對波分復(fù)用組件的需求。

 

多波長種子源

YRFA包含一段4m長的摻鐿增益光纖,以及用作拉曼轉(zhuǎn)換器的一段20m長的摻鍺(Ge)光纖,種子源為1120nm的摻鐿光纖激光器,同時也包含1070nm的光。該雙波長發(fā)射器(1120nm1070nm波長的功率水平可調(diào))通過一個(6+1)×1的市售保偏合束器與六個976nm的激光二極管進(jìn)行合束,隨后直接與放大光纖熔接。

 

合束器后的泵浦功率為390W976nm);976nm二極管泵浦摻鐿光纖段,以放大1070nm的光。在YRFA的輸出端,上海光機所自主研發(fā)的包層模消除器去除殘余的976nm泵浦光,輸出光纖的8°切割角抑制了寄生振蕩。

 

對只摻鐿的光纖放大器的模擬表明:只采用1120nm的種子激光,產(chǎn)生的前向和背向ASE僅分別比1120nm激光輸出低31dB22dB。然而,當(dāng)種子激光器的輸出調(diào)整為功率為38W1120nm激光和2W1070nm激光時,ASE被抑制到比信號低55dB42dB的水平,這表明多波長種子激光能夠有效地抑制ASE。

 

在該集成的放大器裝置中,鐿光纖段基本上是作為摻鍺光纖段的輸入。對于38W/2W1120nm/1070nm)的雙波長種子光,1070nm1120nm的激光輸入均在第一根2.7m的摻鐿光纖中放大。之后,1070nm的信號達(dá)到最大值,并開始通過拉曼轉(zhuǎn)換為1120nm。這種拉曼頻移沿?fù)芥N光纖的長度方向持續(xù),在輸出端,信號光接近99%1120nm光。在實驗中,1120nm的光達(dá)到301W的功率水平,僅受限于泵浦功率。初始1120nm種子激光的線寬為1.6nm,由于光纖段內(nèi)縱向模式的四波混頻,在經(jīng)過完全放大后線寬展寬到3.3nm。

 

目前,摻鐿光纖激光器可以產(chǎn)生千瓦甚至數(shù)十千瓦的衍射極限輸出,通常使用主振蕩器功率放大器架構(gòu)。通過利用雙波長激光器取代主振蕩器,以及在功率放大器的末端增加拉曼光纖段,YRFA實現(xiàn)了完整的架構(gòu);研究人員認(rèn)為實現(xiàn)高于千瓦級的拉曼光纖激光器是可能的。

 

“事實上,我們最近已經(jīng)獲得了波長為1120nm的千瓦級拉曼光纖激光器,”上海光機所的激光技術(shù)研究員馮衍說道,“我們提出的激光器結(jié)構(gòu)允許進(jìn)一步提升拉曼光纖激光器的功率,并且由于拉曼光纖激光器的波長多樣性,其幾乎具備在1~2μm的任何波長處輸出高功率激光的能力。”

 

參考文獻(xiàn)
1. Lei Zhang et al., Opt. Lett., 39, 7, 1933–1936 (2014).

 


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