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掺镱拉曼放大器提升光纤激光器的功率
作者:Gail Overton
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拉曼光纤激光器已经能够达到几百瓦的功率水平。然而在拉曼光纤中,波分复用(WDM)组件通常对泵浦和种子激光进行合束,从而使该组件成为实现更高功率的瓶颈。同样地,用于泵浦1178nm拉曼光纤放大器(倍频至589nm,用于自适应光学望远镜在上层大气中产生钠导星)的1120nm镱(Yb)光纤激光器,也深受放大自发辐射(ASE)和1060nm处寄生激光的影响,严重限制了1120nm光纤激光器的输出。

为了解决这些问题,并创建高功率1120nm光纤激光源,中国科学院上海光机所(SIOM)的研究人员已经开发出了一种集成的掺镱拉曼光纤放大器(YRFA)架构,解决了拉曼光纤激光器和/或长波长掺镱光纤激光器的功率提升问题。[1]放大器采用一段掺镱光纤、其后跟随一段拉曼增益光纤的结构,两段光纤均采用双波长激光器作为种子源,以避免寄生激光和对波分复用组件的需求。

多波长种子源

YRFA包含一段4m长的掺镱增益光纤,以及用作拉曼转换器的一段20m长的掺锗(Ge)光纤,种子源为1120nm的掺镱光纤激光器,同时也包含1070nm的光。该双波长发射器(1120nm和1070nm波长的功率水平可调)通过一个(6+1)×1的市售保偏合束器与六个976nm的激光二极管进行合束,随后直接与放大光纤熔接。

合束器后的泵浦功率为390W(976nm);976nm二极管泵浦掺镱光纤段,以放大1070nm的光。在YRFA的输出端,上海光机所自主研发的包层模消除器去除残余的976nm泵浦光,输出光纤的8°切割角抑制了寄生振荡。

对只掺镱的光纤放大器的模拟表明:只采用1120nm的种子激光,产生的前向和背向ASE仅分别比1120nm激光输出低31dB和22dB。然而,当种子激光器的输出调整为功率为38W的1120nm激光和2W的1070nm激光时,ASE被抑制到比信号低55dB和42dB的水平,这表明多波长种子激光能够有效地抑制ASE。

在该集成的放大器装置中,镱光纤段基本上是作为掺锗光纤段的输入。对于38W/2W(1120nm/1070nm)的双波长种子光,1070nm和1120nm的激光输入均在第一根2.7m的掺镱光纤中放大。之后,1070nm的信号达到最大值,并开始通过拉曼转换为1120nm。这种拉曼频移沿掺锗光纤的长度方向持续,在输出端,信号光接近99%的1120nm光。在实验中,1120nm的光达到301W的功率水平,仅受限于泵浦功率。初始1120nm种子激光的线宽为1.6nm,由于光纤段内纵向模式的四波混频,在经过完全放大后线宽展宽到3.3nm。

目前,掺镱光纤激光器可以产生千瓦甚至数十千瓦的衍射极限输出,通常使用主振荡器功率放大器架构。通过利用双波长激光器取代主振荡器,以及在功率放大器的末端增加拉曼光纤段,YRFA实现了完整的架构;研究人员认为实现高于千瓦级的拉曼光纤激光器是可能的。

“事实上,我们最近已经获得了波长为1120nm的千瓦级拉曼光纤激光器,”上海光机所的激光技术研究员冯衍说道,“我们提出的激光器结构允许进一步提升拉曼光纤激光器的功率,并且由于拉曼光纤激光器的波长多样性,其几乎具备在1~2μm的任何波长处输出高功率激光的能力。”

参考文献
1. Lei Zhang et al., Opt. Lett., 39, 7, 1933–1936 (2014).(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (8/21/2014)
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