宽带掺镱光纤放大器噪声特性研究基本信息

20 世纪 80 年代中期，光通信迅猛发展、光纤制造工艺以及半导体激光器生产技术日益成熟。特别是在 S.B.Poole 等人用改进的化学汽相沉积法制成了低损耗的掺铒光纤后，掺杂光纤放大器和激光进入了一个快速发展的阶段。与其他掺杂光纤相比，掺镱光纤能级结构简单，不存在对泵浦光或信号光的激发态吸收，转换效率高，不存在浓度淬灭;且有较宽的吸收光谱和辐射光谱。因此掺镱光纤放大器/激光器具有独特的优势。但当时采用的掺杂稀土光纤是由纤芯和单一包层构成，要求泵浦光必须直接耦合进直径仅仅为几微米的单模纤芯中，所以对泵浦源的激光模式要求很高，且耦合效率很低。所以传统的掺稀土元素的光纤激光器与放大器被认为只能是一种低功率的光子器件。

80 年代末，美国宝丽来提出了以双包层光纤为基础的包层泵浦技术，改变了光纤放大器只能作为一种小功率光子器件的历史，为瓦级甚至更高功率的光纤放大器的实现提供了坚实的基础。双包层光纤的研制成功以及包层泵浦技术的运用打破了光纤激光器/放大器输出功率低的"瓶颈"，成为制作高功率光纤激光器与放大器的首选。

1999 年 Lew Goldberg 等人采用"V"形槽耦合泵浦技术在 1060nm 处将100mW 的种子光放大到 4W 输出;放大系统小信号增益为 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技术获得了单模以及近线偏的 150W 激光输出。德国 Jena 大学 A. Liem 等人，以纤芯直径 23μm 的大模场面积双包层掺镱光纤为增益光纤，利用注入种子光的功率放大结构，实现了波长 1064nm、线宽 1kHz、功率 118W 的激光输出，相对注入抽运光功率的斜率效率达 70%。2005 年 Adrian Carter 等人利用与 20/400 双包层大模面积(LMA)掺镱光纤相匹配的(6+1)*1 合束器实现了 200W 单频放大输出的全光纤化。2006 年南开大学郭占城等人利用 Nufern 生产的长度约为11m 的大模面积(LMA)掺镱双包层光纤(其芯径 20μm ,数值孔径为 0.06)，将 16mW 的种子光放大到 1.61W，放大后的 3dB 线宽为 0.027nm，保持了输入信号光的优良光谱特性。实验中为了消除端面的菲涅尔反射，LMA 光纤的两端磨制了约 13°的倾角。

2006 年 Albert seifert 报道了一种波长为 1014.8nm 的窄线宽，毫瓦级的双包层掺镱光纤放大器。种子源经过一个隔离器和二向色镱后，有65mw的功率被耦合到6.2米的掺镱双包层光纤。D 型内包层的数值孔径随温度变化，室温下为 0.35，液氮中为 0.22。光纤端面抛8 度角，第一级放大器输出经过一个窄的带通滤波器以减小 ASE，然后耦合到第二级的冷却的镱纤。第一级的最大输出功率为 2.8W,且信噪比达到 30dB。为达到更高的输出功率，将第一级功率为 1.7W 的输出作第二级放大，得到了 5W 的输出功率，且仍有很高的信噪比。

普通光纤激光器由于其结构紧凑、波长可调谐、散热性好和高的转换效率受到人们的青睐;包层泵浦技术又突破了普通光纤输出功率上的制约;Yb3+具有简单的能级结构、宽的吸收带和大的发射截面，便于泵浦和获得高的转化效率。因此掺镱双包层光纤激光器除具有普通光纤激光器的优点之外，又可在高功率条件下运作，成为发展高功率激光器的重要候选。现在报道的单个光纤激光器输出功率已超过 kW，完全可以和在高功率条件下使用的传统的固体激光器媲美。掺镱双包层光纤激光器作为固体激光器家族中的一员，具有以下优异的性能:

1) 高功率。一个多模泵浦二极管模块组可辐射出 100W 的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，可允许设计出很高功率输出的光纤激光器;

2) 模式质量好。通过设计大纤芯和小的数值孔径，光纤中只有几个模式;无需热电冷却器。这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成本低;

3) 很宽的泵浦波长范围。包层光纤纤芯中掺杂了镱元素，有一个很宽的光吸收区(900-1100nm)，所以泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置;

4) 效率高。泵浦光多次横穿过光纤纤芯，因此其利用率高;

5) 高可靠性。多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得激器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管其可靠运转寿命超过 100 万小时。

掺镱双包层光纤激光器用于激光束的相干合成

激光束相干合成技术作为实现高功率激光输出的重要途径，在过去的 20 多年里人们已经在这一领域里进行了大量的研究，相干阵列中所用的激光器多集中在固体、半导体和光纤激光器。这种技术是将许多中等功率输出的激光器组成的阵列实现同相输出，实现大功率的同时保持优良的光束质量。而掺镱双包层光纤激光器具有的如结构紧凑易于组束、模式质量好等优势使它成为实现激光束相干合成的不二之选。

随着大模场面积掺杂双包层光纤和大功率半导体激光器(LD)的技术成熟，脉冲光纤放大器的研究也获得了飞速发展，脉冲峰值功率越来越高。脉冲光纤放大器由于具有高光束质量、便于热管理、光纤输出、结构紧凑等优势，正广泛运用于军事，精密加工、医疗、太空通信等多个领域。窄脉宽、高功率、高光束质量的的脉冲光纤放大器已成为研究的重点。

04 年，英国的 Southampton 大学的 A.malinowski 等人报道了一种全光纤放大系统，以掺镱光纤激光器为种子源，用两级掺镱双包层光纤放大器进行放大，最后用光栅对压缩，在 62MHz 时获得了 110fs，400nJ 的脉冲。 2005 年，美国的 F.D.Teodoro 和 C.D.Brooks 以调 Q 的 Nd:LSB 微片激光器为种子源，通过双包层掺镱光纤和光子晶体光纤放大，图 1.3 为实验结构图，在10kHz 时，获得了 1ns，1mJ 的脉冲。

2006 年 6 月，英国南安普顿大学的 J.Kim 等人利用 W 型纤芯结构的双包层光纤进行放大，实现了 53W，103ps 的脉冲输出。

2007 年 A. Galvanauskas 又将 1~10ns 脉宽的种子脉冲信号经双级单模前置放大后，级联两级 LMA 掺镱光纤放大器，获得了 M约为 1.3，峰值功率超过 5MW的脉冲输出。

国内一些单位也开展了脉冲放大光纤放大器的研究。主要的研究单位有中科院上海光机所、清华大学、中国电子科技集团第十一所和中科院西安光机所等。 2004 年，上海光机所的孔令峰等人用调 Q 激光器做种子源，用双包层掺镱光纤作为增益介质，在 20kHz 时放大到了 0.3mJ 的脉冲能量。 2005 年，清华大学的叶昌庚等人报道了一种脉冲泵浦的掺镱光纤放大系统。以调 Q 的 Nd:YAG 微片激光器为种子源，以掺镱双包层光纤为增益介质，在 200Hz时，最大得到了 138.2μJ 的单脉冲能量，其脉冲宽度为 0.83ns。

综上所述，国内外脉冲高功率光纤放大器的实验研究主要采用的还是分立元器件设计，不利于提高激光器的稳定性。本文中将采用 MOPA 结构设计全光纤脉冲放大结构，实现了平均功率 2W、重复频率 50KHz、脉冲宽度为 20ns 的窄脉冲激光输出。