第17卷 第9期强激光与粒子束Vol.17,No.9 2005年9月H IGH POWER L ASER AND PA R TICL E B EAMS Sep.,2005
文章编号: 100124322(2005)0921341203
沈 华1,2, 丁广雷1,2, 王屹山1, 赵 卫1
(1.中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西西安710068;
2.中国科学院研究生院，北京100039)
摘 要: 在实验上对双包层光纤放大器进行了研究。采用新型内包层为六边形的铒镱共掺双包层光纤
作为放大介质，用带尾纤的半导体激光器进行泵浦，对f s光脉冲进行放大。当用2.5W的入纤功率泵浦50cm 长的双包层铒镱光纤时，把平均功率为10.8mW、重复频率20.84M Hz的激光放大到176mW，增益为12.2
dB，相应的单脉冲能量为8.1nJ，放大后脉冲宽度为480f s，峰值功率为16kW。
关键词: 铒镱共掺; 双包层光纤; f s脉冲; 光纤放大器
中图分类号: TN248.1 文献标识码: A
f s激光脉冲具有极高的峰值功率，与物质相互作用会产生许多新现象和新研究领域，如强光光学、超快速非线性光学、光孤子通信、T Hz脉冲雷达、多光子电离、激光等离子体等。对于波长1.5μm的通讯波段,f s激光脉冲由于它极短的脉冲宽度和与之相伴的宽带宽，将为提高光学时分复用和波分复用的信道数目提供方便，从而大大增加光纤通讯的容量。目前普通的f s光纤激光器件主要采用单模光纤作为激光介质，对泵浦源的激光模式要求高，并且泵浦功率不高，耦合效率低，输出功率只有几mW，这比f s固体激光器低几个数量级。掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声小、偏振不敏感、输出功率大、与传输速率无关等特点，能补偿长距离传输后光纤的损耗。1985年英国南安普顿大学首先研制了掺铒光纤放大器[1]。此后人们对掺铒光纤放大器进行了大量的研究[2～8]，极大地推动了光纤通信的发展。由于Er3+具有浓度淬灭效应和能量上转换，使Er3+的掺杂浓度受限；而且由于常规的单模光纤芯径小、数值孔径小，使泵浦耦合效率低，这些都使放大器的增益达不到很高的水平。自1988年E.Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域[9,10]，成为制作高功率光纤激光器和光纤放大器的首选途径。双包层光纤的独特之处 在于它比常规光纤多了内包层。内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、折射率比纤芯小的纯SiO2或Z BL AN构成，是泵浦光的通道，对泵浦光波长是多模的。这种结构的光纤不要求泵浦光是单模激光，而且可对光纤的全长度泵浦，泵浦光只需耦合进大面积及大数值孔径的内包层中，泵浦能量间接地耦合到纤芯内，大大提高了泵浦效率。为了提高对泵浦光的吸收效率，人们一直在努力优化内包层的边界条件，提出并拉制了D形、长方形、正方形和六边形等内包层形状[11,12]的光纤。实验表明，这些内包层形状的光纤相对圆形内包层形状对泵浦光的吸收效率大大提高。以铒镱共掺作为纤芯[13]可以让Yb3+包围在Er3+周围，这样既能增加Er3+的溶解度，又能有效防止Er3+的浓度淬灭效应。在Er3+/Yb3+共掺系统的能级结构中，作为共掺离子Yb3+，其吸收截面积很大，处于基态的粒子被激发到高能级的效率很高。通过交叉弛豫,Yb3+高能级上的粒子转移到Er3+能量相近的能级上去，使Er3+相关能级上的粒子数急剧增加，大大提高了泵浦效率。
本文的实验中，我们选用新型内包层为六边形的铒镱共掺双包层光纤作为放大介质，对10.8mW f s激光脉冲进行放大，得到增益为12.2dB的170mW放大脉冲输出，放大后的脉冲宽度为480f s。
1 实验装置
实验中选用的泵浦光源为大功率多模尾纤输出的980nm半导体激光器。以全光纤f s激光器单模光纤输出的孤子脉冲作为种子源[14]，其中心波长为1531nm，用自相关仪测得的锁模脉冲宽度(FW HM)为
380f s，脉冲重复频率为20.84M Hz，信号光平均功率为10.8mW。增益介质为加拿大INO公司生产的EY805-Er/ Yb共掺双包层光纤，其纤芯直径为16μm，数值孔径为0.2，内包层形状为六边形，两平行边的距离为200μm。在980nm处吸收系数αp=5dB/m，在1536nm处吸收系数αp=0.49dB/m。
3收稿日期:2005201204; 修订日期:2005206213
作者简介：沈 华(1977—)，女，辽宁人，硕士研究生，主要从事光纤激光器和光纤放大器的研究。
Fig.1 Experimental setup
图1 实验装置示意图
图1为整个系统的实验装置示意图。泵浦光源经准直凸
透镜和20倍的显微物镜耦合到双包层光纤，用截断法测得最
大入纤功率为2.5W 。采用后向泵浦方式进行放大，这种方
式能使得增益分布较为平坦，容易获得较高的激光输出，且能
降低ASE 引起的噪音。种子光经过一个隔离器耦合到双包
层光纤中去。信号光放大后，经双镜反射输出。2 实验结果
分别截取20,50,180cm 三段不同长度的双包层光纤进行放大实验。取20cm 时，测得放大输出端总功率为73mW ，考虑到里面含有泵浦光，经过一个45°的980nm 全反1530nm 全透的双镜后，测得放大后的信号光功率为50mW ，相应增益为7dB 。180cm 时，测得放大后的信号光功率为32mW ，信号光的增益只有417dB 。选用50cm 的E Y805光纤，测得放大后的信号光功率为176mW ，增益为12.2dB 。当光纤长度为50cm 时，测得放大输出功率随泵浦源电流增加的变化曲线如图2所示。
从实验结果可以看出,20cm 光纤太短，自发辐射振荡虽能得到很好抑制，但泵浦光没有被完全吸收，信号光不能得到有效放大，增益较小。180cm 光纤太长，产生的自发辐射振荡光消耗掉绝大部分
的反转粒子数，使信号光的放大受到抑制，而且泵浦光完全被消耗，过长的光纤引起信号光被吸收损耗，增益很小[16]。因此需要合理选择光纤长度，对光纤端面也应适当处理。为抑制自发辐射放大，采用一个裸纤连接器和光隔离器的输出端连接，再将裸纤连接器的另外一端和掺杂双包层光纤直接焊接，这样可以减小自发辐射光在光纤端面的反射，从而抑制反射回来的自发辐射光在双包层光纤中放大。
用自相关仪对放大后的脉冲进行测量，得到如图3所示的输出的光脉冲宽度与放大后信号光功率的关系。由图3可知，随泵浦功率的增加，信号光功率相应增加，输出脉冲逐渐变窄。脉冲变短是由于放大后的光孤子脉冲的峰值功率增大，脉冲为维持其原N 阶孤子形态传输，从而使脉冲的宽度发生窄化。饲料加工工艺
这可从孤子传输的脉Fig.4 Autocorrelation t race of t he amplified pulse 图4 光纤长度为50cm 时的脉冲自相关曲线
冲峰值功率和脉宽的关系((1)式)和N 阶孤子传输所需的峰
值功率((2)式)看出[15]。
P 1≈3.11|β2|γτ2FWHM
(1)式中:β2为光纤的速度散参数;细胞芯片
γ为光纤的非线性参数;τFWHM 为光脉冲的宽度。
P N ≈3.11N 2|β2|/γτ2FWHM =N 2P 1
(2) (1),(2)两式表明基态孤子和高阶孤子的峰值功率和脉
冲宽度成反比关系。在同阶孤子形态下，脉冲峰值功率增大,
脉冲宽度将变窄。
当光纤长度为50cm 时，脉冲自相关曲线如图4所示。
其中点线为自相关仪测得的曲线，实线为其双曲正割的拟合2431强激光与粒子束第17卷
曲线。自相关曲线宽度τFWHM =750f s ，实际光脉冲宽度约480f s 。
对于实验中所用的光纤，由公式(1)可以计算得到480f s 光脉冲对应的基孤子峰值功率为571W ，而放大后光脉冲的峰值功率为17kW ，因此放大后光脉冲所对应的孤子阶数为5.45。
3 结 论
以六边形内包层的铒镱共掺双包层光纤作为放大介质，多模尾纤输出的大功率半导体激光器为泵浦源，对f s 脉冲进行放大，得到最大增益为12.2dB 、脉宽为480f s 的放大输出。如果进一步优化耦合系统，对光纤连接处端面进行微加工，有望得到更大的放大输出。
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Experiment of cladding pumped femtosecond f iber amplif ier
SH EN Hua 1,2, DIN G Guang 2lei 1, WAN G Y i 2shan 1, ZHAO Wei 1
(1.S tate Key L aboratory of T ransient O ptics and Photonics ,X i ’an I nstitute of O ptics and Precision Mechanics ,
Chinese A cadem y of Sciences ,X i ’an 710068,China;
2.Graduate S chool of Chinese A cadem y of Sciences ,B ei j ing 100039,China )
Abstract : Experiment of the double 2clad erbium 2ytterbium co 2doped fiber amplifiers were discussed.This fiber with hexa 2gonal inner clad is utilized as gain medium to amplify femtosecond pulse ,which is pumped by LD with pigtail fiber.The signal with 10.8mW average power at 20.84M Hz repetition rate is amplified to 176mW by using 50cm long fiber when launched pum 2ping power is 2.
5W.The gain is 12.2dB and the single pulse energy is 8.1nJ.The amplified pulse width is 480f s ,correspond 2ing to a peak power of 16kW.
K ey w ords : Erbium 2ytterbium co 2doped ; Double clad fiber ; Femtosecond pulse ; Fiber amplifier
3431第9期沈 华等：包层泵浦f s 光纤放大器的实验研究
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