一种在光纤放大器或激光器中避免严格控制泵浦波长的方法及产品

摘要

本发明涉及一种在光纤放大器和激光器中避免严格控制泵浦波长的方法及产品，其特征在于：在光纤放大器或激光器中，通过加长光纤长度和增大光纤吸收系数之一或二者的结合，使光纤材料的吸收系数曲线尖峰附近区域内的吸收率达到饱和，形成所需波长范围内较为平坦的宽吸收带，使光纤放大器或光纤激光器的可用泵浦带变宽，进而实现对泵浦源输出波长范围的要求放宽。本发明的装置中，采用长度为常规泵浦吸收率光纤十倍以上，或吸收系数为常规泵浦吸收率光纤十倍以上，或所述光纤的长度与所述光纤的吸收系数的乘积为常规泵浦吸收率光纤的十倍以上的光纤以达到较为显著的宽波长范围内的吸收饱和。本发明方法简单，但可以有效地简化了系统和操作步骤，可以适用于各种光纤激光器、放大器等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在光纤放大器或激光器中避免严格控制泵浦波长的方法及产品。

背景技术

随着光通讯技术的发展，光纤激光器以其超越固体激光器和半导体激光器的许多优势，在通讯及其它诸多领域得到了应用和发展。目前的光纤激光器通常使用激光二极管作为泵浦源。利用激光二极管输出波长随温度漂移的特性，二极管泵浦光纤激光器通常采用温控系统调节泵浦源发射的中心波长，以使其与光纤纤芯材料的吸收峰相吻合，使吸收充分从而提高效率。然而将二极管温度限制在一个严格的范围内，无疑提高了对激光器工作环境以及系统结构设计和操作上的要求。另外，使用光纤光栅对泵浦源进行波长选择也是稳定泵浦波长的一种方法。但该方法并不能有效地利用泵浦功率，简化系统结构。

目前，利用介质对泵浦光的吸收饱和效应来降低激光器性能对泵浦波长敏感程度的方法，已在块状固体激光材料上有所应用。B.Crépy等人(OSA TOPS Vol.68，Advanced Solid-State Lasers，2002)利用光在块状Nd:YAG晶体中的多程折返来增加激光在增益介质中的传播长度，获得了较为平坦的泵浦吸收率曲线，在使用3nm线宽的泵浦源泵浦掺杂浓度为1.1％的晶体时，得到了100℃以上的温度允许范围。而R.A.Fields等人(Appl.Phys.Lett.51(23)，1987)的研究结果指出，Nd:YO₄由于具有较Nd:YAG更宽的、大于20nm的吸收带，因而作为激光器的增益介质能获得较之Nd:YAG更低的阈值和更高的效率。若采用长的介质，则更能增加吸收对泵浦波长变化的不灵敏性。但利用这个原理的方法尚未应用于光纤激光器中，目前也尚未有一种简单而行之有效的方法，在简化系统的同时放宽对光纤激光器泵浦波长控制的要求。事实上，块状晶体固体激光器由于晶体尺寸上的限制而无法充分利用吸收的饱和效应，而光纤型的激光介质恰能较好地发挥这一优势。

根据光纤中的激光速率方程，对于一个二能级的系统，泵浦功率的演化规律为

$\frac{{\mathrm{dP}}_p}{\mathrm{dz}}=-\frac{A_c}{A_p}{\sigma }_a\left(v_p\right)N_1{P}_p,$

其中P_p为泵浦功率，z为光纤长度方向坐标，A_c、A_p分别为泵浦光和信号光的填充因子，σ_a为粒子的吸收截面积，v_p为泵浦波长，N_l为下能级粒子数。用α(v_p)表示平均泵浦吸收系数，那么由方程

$\frac{{\mathrm{dP}}_p}{\mathrm{dz}}=-\bar{\alpha }\left(v_p\right)P_p$

可以得到泵浦吸收率

η(v_p)＝1-exp[-α(v_p)L]，

其中L为光纤长度。在一般情形下，若要求泵浦峰处的吸收率为97％，那么光纤长度范围由一个α的函数确定：

L～3.5/α＝f_97％(α)，

或平均吸收系数范围由一个L的函数确定：

α～3.5/L＝g_97％(L)，

或光纤长度与平均吸收系数乘积的范围由一个常数确定：

αL～3.5＝h97％。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是基于上述光纤中的激光速率方程，提供一种系统结构简单，操作方便的在光纤放大器或激光器中避免严格控制泵浦波长的方法及产品。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种在光纤放大器和激光器中避免严格控制泵浦波长的方法及产品，其特征在于：在光纤放大器或激光器中，通过加长光纤长度和增大光纤吸收系数之一或二者的结合，使光纤材料的吸收系数曲线尖峰附近区域内的吸收率达到饱和，形成所需波长范围内较为平坦的宽吸收带，使光纤放大器或光纤激光器的可用泵浦带变宽，进而实现对泵浦源输出波长范围的要求放宽。

所述加长的光纤长度为常规泵浦长度的十倍以上。

所述增大的光纤吸收系数为常规泵浦吸收率光纤十倍以上。

所述加长的光纤长度与所述增大的光纤吸收系数的乘积为常规泵浦吸收率光纤的十倍以上。

所述增大光纤吸收系数的方法为提高光纤掺杂浓度。

所述增大光纤吸收系数的方法为选择吸收截面较大的3d过渡族离子、稀土族离子作为掺杂材料。

一种避免严格控制泵浦波长的光纤放大器，它包括泵浦源、种子源、温控装置、泵浦耦合器件和掺杂光纤，其特征在于：所述光纤的长度为常规泵浦长度的十倍以上，或所述光纤的吸收系数为常规泵浦吸收率光纤十倍以上，或所述光纤的长度与所述光纤的吸收系数的乘积为常规泵浦吸收率光纤的十倍以上。

一种如权利要求所述的避免严格控制泵浦波长的光纤激光器，它包括泵浦源、温控装置、泵浦耦合器件和掺杂光纤，其特征在于：所述光纤的长度为常规泵浦长度的十倍以上，或所述光纤的吸收系数为常规泵浦吸收率光纤十倍以上，或所述光纤的长度与所述光纤的吸收系数的乘积为常规泵浦吸收率光纤的十倍以上。

所述泵浦源的发射光谱带宽为十纳米以上。

所述泵浦源为发射光谱窄的激光二极管。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于光纤对泵浦功率吸收的饱和效应，通过增加光纤的长度或增大光纤吸收系数中的一种方式或两种方式的结合，实现了宽带平坦吸收带的形成，使光纤激光器的可用吸收光谱带变宽，使光纤放大器或激光器的激光性能更能适应二极管的温度变化或其它引起泵浦源波长漂移、频带展宽的因素，因此可以在一定温度范围内免除对激光二极管泵浦源的温度控制，从而简化了实验系统，降低了操作难度。2、本发明宽吸收带的形成，有利于提高泵浦光吸收率，因而得以更有效地利用泵浦能量，提高光泵效率和总效率；同时可用泵浦带的展宽，也使选择光纤激光器泵浦源的局限性减小，有效地减少了由设备等客观条件带来的限制。3、本发明采用二极管等窄带作为泵浦源，可以使其在更宽的温度范围内工作，无须严格温控，甚至在一定范围内免除温控的需要。4、本发明能够提高泵浦效率，使不同材料的光纤更易与泵浦源匹配，使二极管泵浦光纤激光器和放大器可在更宽的温度范围下运行，甚至可在一定范围内免除对其泵浦源的温度控制，另外，也可在使用具有一定带宽的泵浦源时降低热效应，提高光泵效率。本发明方法简单，但可以有效地简化了系统和操作步骤，可以适用于各种光纤激光器、放大器等。

附图说明：

图1为本发明结构示意图

图2为本发明实施例1中掺钇光纤的归一化泵浦吸收率曲线

图3为本发明实施例2中掺钇光纤的归一化泵浦吸收率曲线

图4为本发明实施例3中掺钇光纤的归一化泵浦吸收率曲线

图5为本发明实施例4中掺钇光纤对泵浦光的吸收效率曲线

具体实施方式

如图1所示，一般的光纤放大器或光纤激光器包括泵浦源1、温控装置2、种子源3(仅光纤放大器中)、泵浦耦合器件4和掺杂光纤5等。泵浦源1可以是窄带的激光二极管或具有一定带宽的泵浦源，温控系统2可以是二极管冷却或外加冷却，掺杂光纤5可以是掺钇、掺铒或其它可用于光纤激光器、放大器的光纤。本发明的特征是利用光纤对泵浦功率吸收的饱和效应，即一定波长范围内各波长对应功率的吸收率先后达到一极限值而不再随光纤长度增加，来免除对泵浦波长严格控制的需要。本发明方法中吸收饱和效应可以通过两种途径获得：1、增加光纤的长度；2、增大光纤材料的吸收系数。若保持光纤材料的吸收系数不变，而通过增加光纤的长度来达到吸收饱和，光纤长度范围为L＞10f_97％(α)时会有明显的吸收饱和效应和吸收率曲线峰的加宽。若保持光纤长度不变，而通过增大光纤材料的吸收系数来达到吸收饱和，吸收峰对应波长处吸收系数范围为α＞10g_97％(L)时会有明显的吸收饱和效应的吸收率曲线峰加宽。吸收系数的增加可以通过提高掺杂浓度，选择吸收截面较大的粒子掺杂等方式实现。若同时增加光纤长度和吸收系数，二者乘积的范围为αL＞10h_97％时会有明显的吸收饱和效应的吸收率曲线峰加宽。

本发明的工作原理：利用光纤对泵浦功率吸收的饱和效应，使材料吸收系数曲线尖峰附近区域内的吸收率达到饱和，形成一定波长范围内较为平坦的宽吸收带，使光纤激光器的可用泵浦带变宽，对泵浦源输出波长范围的要求放宽，下面列举一些实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例为一激光二极管泵浦掺钇光纤激光器，通过增加激光器光纤长度来达到对一定波长范围内泵浦光的吸收饱和。激光器基本参数如下表所示：

如图2所示，是泵浦光经光纤传播后吸收率的理论计算曲线，其中虚线为Yb³⁺离子的吸收截面曲线，三条实线分别对应10m、30m和一段更长光纤的吸收率曲线。对于此时的光纤，L～3.5/α＝f_97％(α)≈10m时吸收峰对应波长处的泵浦吸收率为97.3％，光纤长为30m时主峰处已经出现泵浦吸收饱和现象，而一段更长的光纤(长度L＞10f_97％(α))则表现出了十分明显的泵浦吸收饱和。为便于比较，吸收截面和吸收率曲线均以其各自峰值作归一化处理。其中，Yb3+离子吸收谱在972nm附近小于10nm宽的尖峰在光纤长为30m时展宽到了近20nm，而910nm处的次峰也随光纤长度的增加有明显加宽和平坦化的趋势，且高度逐渐与主峰靠近。吸收谱次峰宽度Δλ₁略大于20nm，30m光纤吸收率曲线次峰宽Δλ₂超过30nm，而在光纤长度L＞10f_97％(α)时，次峰与主峰间的凹陷深度小于0.04，两个吸收峰融合成为一段宽Δλ₃＞110nm的较为平坦的吸收率曲线。一般激光二极管的输出谱宽约为几个纳米，输出波长随温度的漂移约为0.2～0.3nm/℃。则对于本实施例中的光纤激光器，若采用30m长光纤，则910nm区域泵浦的温度允许范围在100℃以上，972nm区域在50℃以上，采用更长的L＞10f_97％(α)的光纤则可以超过300℃，完全免除了对温度控制的需要。

实施例2：

本实施例为一激光二极管泵浦掺钇光纤激光器，通过增加激光器光纤掺杂浓度来提高吸收系数从而达到对一定波长范围内泵浦光的吸收饱和。激光器基本参数如下表所示：

如图3所示，是泵浦光经光纤传播后吸收率的理论计算曲线，其中虚线为Yb³⁺离子的吸收截面曲线，两条实线分别对应粒子掺杂浓度为1.435E26m^-3和1.435E27m^-3光纤的吸收率曲线。此时掺杂浓度较低的光纤对应吸收峰波长平均吸收系数α～3.5/L＝g_97％(L)，吸收峰波长处泵浦吸收率为97.3％。掺杂浓度较高的光纤对应吸收系数α＞10g_97％(L)，表现出十分明显的泵浦吸收饱和。为便于比较，吸收截面和吸收率曲线均以其各自峰值作归一化处理。其中，掺杂浓度较低时吸收曲线次峰宽度Δλ₄为十几纳米，而掺杂浓度较高时，次峰与主峰间的凹陷深度小于0.04，两个吸收峰融合成为一段宽Δλ₅＞110nm的较为平坦的吸收率曲线。一般激光二极管的输出谱宽约为几个纳米，输出波长随温度的漂移约为0.2～0.3nm/℃。则对于本实施例中的光纤激光器，若采用吸收系数高的α＞10g_97％(L)的光纤，温度允许范围可以超过300℃，完全免除了对温度控制的需要。

实施例3：

本实施例为一激光二极管泵浦掺钇光纤激光器，同时通过增加激光器光纤长度和掺杂浓度来提高吸收系数从而达到对一定波长范围内泵浦光的吸收饱和。激光器基本参数如下表所示：

如图4所示，是泵浦光经光纤传播后吸收率的理论计算曲线，其中虚线为Yb³⁺离子的吸收截面曲线，两条实线分别对应光纤长度为10m、粒子掺杂浓度为1.435E26m^-3，和光纤长度为50m、粒子掺杂浓度为2.870E26m^-3光纤的吸收率曲线。此时光纤长度与吸收系数乘积较低的光纤对应αL～3.5＝h_97％，吸收峰波长处泵浦吸收率为97.3％。乘积较高的光纤对应αL＞10h_97％，表现出十分明显的泵浦吸收饱和。为便于比较，吸收截面和吸收率曲线均以其各自峰值作归一化处理。其中，乘积较小时吸收曲线次峰宽度Δλ₆为十几纳米，而乘积较大时，次峰与主峰间的凹陷深度小于0.04，两个吸收峰融合成为一段宽Δλ₇＞110nm的较为平坦的吸收率曲线。一般激光二极管的输出谱宽约为几个纳米，输出波长随温度的漂移约为0.2～0.3nm/℃。则对于本实施例中的光纤激光器，若采用吸收系数高的αL＞10h_97％的光纤，温度允许范围可以超过300℃，完全免除了对温度控制的需要。

实施例4：

本实施例为一宽带泵浦的Yb光纤激光器，泵浦源中心波长974nm，线宽15nm。光纤参数同实施例1。如图5所示，直线连接的四点分别对应光纤长度为10m(L～h_97％(α))、20m、30m和100m(L＞10h_97％(α))时光纤对宽带泵浦的总吸收效率。对比图2可见，此时的泵浦带覆盖了Yb³⁺离子的吸收峰，但由于吸收峰较窄，在光纤长度较短而未出现吸收饱和效应时吸收效率较低。常规光纤参数的光纤(10m光纤)对此宽带泵浦的吸收效率约80.65％。随着光纤长度的增加，吸收饱和效应出现并加深，吸收效率随之逐渐增加。光纤长度在常规光纤十倍以上时(L＞10h_97％(α))吸收效率达到99％以上，即在泵浦带的范围内吸收几乎全部饱和而出现了吸收率曲线的平坦化。因此，利用吸收饱和效应可以有效提高宽带泵浦源泵浦时的泵浦吸收效率。

上述实施例仅为说明本发明，但不应限制本发明，在本发明构思的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。