高功率摻銩光纖激光器通常用790nm左右的光源泵浦，這種泵浦方案所需的泵浦二極管激光器容易獲得，且能夠借助交叉弛豫（CR）過程提升激光器的效率。不過，百瓦級(jí)摻銩光纖在790nm左右泵浦時(shí)的效率不會(huì)超過60％，這使得熱負(fù)荷較大，不利于功率提升。此外，高熱負(fù)荷最終會(huì)導(dǎo)致模式不穩(wěn)定，使得非線性相移增加。減輕熱效應(yīng)的一種策略是增加泵浦波長(zhǎng)，即采用帶內(nèi)泵浦方案。

(資料圖)

本期介紹的論文來自德國(guó)耶拿課題組的工作，主要研究了泵浦波長(zhǎng)對(duì)大模場(chǎng)面積、高功率摻銩光纖放大器的影響［1］。

為了確定最佳泵浦波長(zhǎng)，作者首先借助CR與銩離子各能級(jí)粒子數(shù)密度的關(guān)系，指出不能僅僅利用CR過程提升斜率效率。獲得更高效率的一種方法是增加泵浦波長(zhǎng)，也即利用帶內(nèi)泵浦方案（1550～1910nm）。此外，為了產(chǎn)生高能量脈沖，在選擇泵浦波長(zhǎng)時(shí)還應(yīng)考慮光纖放大器的最大存儲(chǔ)能量。為實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能和高斜率效率之間的平衡，泵浦波長(zhǎng)應(yīng)在1550nm到1700nm之間。同時(shí)，要使吸收截面不至于過小，需將泵浦波長(zhǎng)范圍縮減到1600nm到1700nm之間。最終，作者決定使用1692nm的帶內(nèi)泵浦波長(zhǎng)。

在放大實(shí)驗(yàn)中，作者使用了793nm、300W和1692nm、120W兩種不同的泵浦源。此外，還使用摻銩光子晶體光纖和摻銩棒狀光纖這兩種放大器實(shí)現(xiàn)高平均功率，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中，信號(hào)輸入側(cè)（DM2處）和信號(hào)輸出側(cè)（DM1處）的兩個(gè)二向色鏡用于分離泵浦光和信號(hào)光。PM2為熱功率傳感器，用來測(cè)量殘余泵浦光功率，以確定被吸收的泵浦光功率。楔形熔融石英板（wedge）將光束分離，以便觀測(cè)路徑中的光束形狀。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（PCF：光子晶體光纖；LPF：棒狀光纖）［1］

圖2為光子晶體光纖實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。由圖2 a）和圖2 b）可以明顯看出，在輸出功率最大時(shí)（58W），泵浦波長(zhǎng)對(duì)輸出信號(hào)頻譜和光束輪廓沒有明顯影響。由圖2 c）可知，1692nm泵浦方案的斜率效率為80％，明顯高于793nm泵浦方案（47％）。圖2 c）中模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，因此可以通過模擬作進(jìn)一步分析。

圖2 光子晶體光纖實(shí)驗(yàn)的結(jié)果［1］

圖3為光子晶體光纖中CR率和熱負(fù)荷（纖芯溫度）沿光纖變化的模擬結(jié)果。如圖3 a）和圖3 b），對(duì)于793nm泵浦，CR率為正值；而對(duì)于1692nm泵浦，CR率為負(fù)值。結(jié)合泵浦光和信號(hào)光強(qiáng)度沿光纖的變化情況，可知圖3 a）和圖3 b）證實(shí)了CR過程與泵浦光和信號(hào)光強(qiáng)度的關(guān)系。如圖3 c），兩種泵浦方案的最大熱負(fù)荷差為52W／m，最大纖芯溫差為25K，在降低熱負(fù)荷方面，1692nm泵浦方案更具優(yōu)勢(shì)。

圖3 a）和b）：CR率在不同吸收泵浦功率下沿光纖變化；c）：熱負(fù)荷和纖芯溫度沿光纖變化［1］

換用大模場(chǎng)面積棒狀光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在1692nm泵浦時(shí)，可以達(dá)到67W的平均功率，斜率效率為74％，而在793nm泵浦時(shí)，斜率效率僅為38％。模擬熱負(fù)荷和纖芯溫度沿光纖變化，不同泵浦方案的最大熱負(fù)荷差為68W／m，最大纖芯溫差為31K。在降低熱負(fù)荷方面，同樣是1692nm泵浦方案更有優(yōu)勢(shì)。

總之，相較于793nm泵浦，1692nm帶內(nèi)泵浦對(duì)于高功率摻銩光纖放大器來說具有效率高、熱負(fù)荷小的亮點(diǎn)，這有利于繞過目前使用793nm泵浦方案時(shí)遇到的障礙，因此有望大幅度提高2μm飛秒光纖激光的平均功率。

參考文獻(xiàn)：

［1］ M． Lenski et al．， “Inband－pumped， high－power thulium－doped fiber amplifiers for an ultrafast pulsed operation，” Opt． Express， vol． 30， no． 24， p． 44270， Nov． 2022， doi： 10．1364／OE．476160．

關(guān)鍵詞： 光子晶體 斜率效率 平均功率