CN105222998A - 用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，该方法包括(1)选取初始长度L₀≤2m的待测双包层增益光纤，与传能光纤熔接，将泵浦光源耦合进入传能光纤的内包层中；(2)切割待测双包层增益光纤，测试L₁长度下泵浦光源中不同波长的泵浦光的输出功率；(3)重复步骤(2)，获得待测双包层增益光纤长度分别为L₂、L₃……L_N时不同波长的泵浦光的输出功率；(4)找出待测波长的光的剩余泵浦光功率，测得待测双包层增益光纤对该待测波长的光的泵浦吸收系数。本发明的方法可消除测试双包层增益光纤泵浦吸收系数时由于模式扰动带来的测试结果不稳定、可大幅提高测试结果准确度和精度。

Description

用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，涉及增益光纤对泵浦光吸收特性的测试方法，尤其涉及一种用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法。

背景技术

与一般的激光器相比，光纤激光器在光束质量、体积、重量、效率、散热等方面均有明显优势，已经成为激光器领域最热门的研究方向之一。早期的光纤激光器中常采用单包层增益光纤，其泵浦光和信号光均在纤芯中传输，由于纤芯的直径和数值孔径均很小，这使得注入增益光纤的泵浦光总功率受到限制，制约了光纤激光器的功率提升。双包层增益光纤的结构包括纤芯、内包层和外包层，其特点是泵浦光在其内包层中传输，而信号光仍在纤芯中传输。泵浦光在内包层传输的过程中会不断经过纤芯，进而被纤芯中的掺杂粒子吸收并转换为信号激光。由于双包层光纤的内包层直径和数值孔径远大于纤芯的直径和数值孔径，大幅度降低了对泵浦光数值孔径的要求，使得耦合进入增益光纤的泵浦光功率大幅度提升，进而提高光纤激光器的输出功率。

测试双包层光纤的泵浦吸收系数，对于光纤拉制工艺、光纤激光器的搭建和非线性效应的抑制有重要的意义。目前已有的双包层光纤泵浦吸收测试方法有国标GB-T15972.40-2008、申请号为CN201010226491.3的中国专利文献等，该专利文献的基本思路是选取较长的待测光纤(3m～10m)，改变增益光纤的长度，测得剩余泵浦光的功率差值或光谱差值，并据此计算出光纤的泵浦吸收系数。

然而较长的增益光纤会导致模式扰动现象，即由于光纤本身的应力和温度等状态，导致吸收系数在沿光纤传输方向呈不稳定性，测试结果的误差随光纤长度的增长变大，尤其对于吸收截面较大的波长，这种现象更为明显，因此，上述文献中的方法均不能直接测试出吸收截面较大的波长对应的泵浦吸收系数。而另一方面，采用吸收截面较大的波长泵浦增益光纤，可以有效缩短增益光纤的长度，抑制非线性效应，对于实现高功率激光输出具有重要意义。例如，掺镱光纤在976nm处的吸收系数很大，在搭建高功率光纤激光器时，采用976nm泵浦可以更好的抑制非线性效应，然而这些方法却不能给出增益光纤在976nm处的吸收系数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可消除由于模式扰动带来的测试结果不稳定、大幅提高测试结果准确度和精度、有效抑制放大自发辐射的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，包括以下步骤：

(1)选取初始长度L₀≤2m的待测双包层增益光纤，先将所述待测双包层增益光纤与一传能光纤熔接，所述传能光纤为双包层光纤，然后将泵浦光源耦合进入所述传能光纤的内包层中，向所述待测双包层增益光纤进行传输；

(2)自所述待测双包层增益光纤的输出端向所述传能光纤方向进行切割，切割位置位于所述待测双包层增益光纤上，切断的光纤长度为10cm～20cm，切断后，将所得待测双包层增益光纤的输出端通过裸纤适配器与光谱仪连接，测试待测双包层增益光纤的长度为L₁时的输出光功率谱，即不同波长的泵浦光对应的输出功率，设为输出功率组P₁；

(3)重复步骤(2)，设切割总数为N(包括第一次)，取N≥7次，得到待测双包层增益光纤长度分别为L₂、L₃……L_N时不同波长的泵浦光对应的输出功率，记为输出功率组P₂、P₃……P_N；

(4)从上述获得的输出功率组P₁、P₂、P₃……P_N中找出待测波长的泵浦光的输出功率，即对应待测波长的剩余泵浦光功率，统计剩余泵浦光功率与待测双包层增益光纤长度的变化规律，采用线性拟合法得出对应待测波长的泵浦光吸收系数，即为待测双包层增益光纤对该待测波长的光的泵浦吸收系数。

上述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法中，优选的，所述待测双包层增益光纤的初始长度L₀为：1m≤L₀≤2m。

上述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法中，更优选的，所述待测双包层增益光纤的初始长度L₀为：1m≤L₀≤1.5m。

上述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法中，优选的，所述泵浦光源为宽谱泵浦光源，所述宽谱泵浦光源的谱宽至少覆盖所述待测双包层增益光纤的增益吸收区，且所述宽谱泵浦光源的光谱功率密度不超过1μW/nm。

上述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法中，优选的，所述泵浦光源在耦合进入所述传能光纤内包层时的数值孔径不小于所述传能光纤内包层的数值孔径。

上述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法中，优选的，所述传能光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径与所述待测双包层增益光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径对应相等。

本发明的方法中，待测双包层增益光纤的结构包括纤芯、内包层和外包层，其中掺杂区域位于纤芯内，传能光纤与待测双包层增益光纤的区别仅在于传能光纤的纤芯中未掺杂增益离子。

本发明的方法中，在待测双包层增益光纤中，泵浦光在其内包层中传输，信号光在纤芯传输。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明所用待测光纤的初始总长度≤2m，相比现有技术的3m～10m，大幅度减少了泵浦光在光纤中的传输距离，可以消除由于模式扰动带来的测试结果不稳定，大幅度提高了测试结果的准确度，特别是可以用于测试吸收截面较大的波长所对应的吸收系数，这对于搭建高功率光纤激光器具有重要意义。

2.本发明采用多次截断的方法，获得多组输出光谱和对应的增益光纤长度，统计特定波长剩余泵浦光与增益光纤长度的变化规律，用线性拟合法得出该波长的泵浦吸收系数，可以进一步提高测试结果的精度。

3.本发明采用的宽谱光源其光谱功率密度不超过1μW/nm，这样可以有效地抑制放大的自发辐射(ASE)效应，消除ASE效应对光纤测试结果的影响，提高测试结果的可信度。

附图说明

图1为本发明实施例中测试系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1中双包层增益光纤的吸收测试结果。

图3为本发明实施例2中剩余泵浦光功率与双包层增益光纤长度的关系。

图例说明：

1、宽谱光源尾纤；2、第一透镜；3、第二透镜；4、传能光纤；5、熔接点；6、待测双包层增益光纤。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

一种本发明的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，包括以下步骤：

1、泵浦光数值孔径变换系统的组建与调整步骤(通常采用该方法组建测试系统，但并不限于此)

本发明采用带光纤尾纤输出的宽谱光源作为泵浦光源，通常情况下光源的输出尾纤的数值孔径与待测双包层增益光纤不同，需要通过如图1所示的双透镜系统变换泵浦光的数值孔径，使得在泵浦光耦合进入传能光纤4时其数值孔径不小于传能光纤4内包层的数值孔径。首先将宽谱光源尾纤1(即宽谱光源的输出光纤)的输出端放在第一透镜2的焦点上，调整第一透镜2与宽谱光源尾纤1的位置使得输出光束准直；然后调整第二透镜3使得准直光束的光轴与第二透镜3的主轴重合，第二透镜3将使得准直光束汇聚；接着将传能光纤4的一端切平角，并将其中用五维调节支架夹持，将另一端也切平角，并用功率计监测输出功率，调整光纤的空间位置以及俯仰、摇摆使得输出功率最大，这时调整完成。其中第一透镜和第二透镜的焦距f₁和f₂应满足如下关系：

tan(arcsin(NA₁))f₁≥tan(arcsin(NA₂))f₂

其中NA₁和NA₂分别代表宽谱光源尾纤的数值孔径和传能光纤内包层的数值孔径。

2、测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的步骤：

(1)选取初始长度为L₀的待测双包层增益光纤6，L₀≤2m(优选1m～2m，更优选1m～1.5m)，将待测双包层增益光纤6的一端与传能光纤4熔接于熔接点5，传能光纤4为双包层光纤，传能光纤4的纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径与待测双包层增益光纤6的纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径对应相等。然后将泵浦光源满数值孔径耦合进入传能光纤4的内包层中，满数值孔径是指泵浦光源在耦合进入传能光纤4时的数值孔径不小于传能光纤4内包层的数值孔径。该泵谱光源为宽谱泵谱光源，其谱宽至少覆盖待测双包层增益光纤的增益吸收区，且光谱功率密度不超过1μW/nm。

(2)自待测双包层增益光纤6的另一端向传能光纤方向(图1中箭头方向)进行切割，每次切断长度为10cm～20cm，第一次切割后，所得待测双包层增益光纤的长度为L₁，将切割后的待测双包层增益光纤6的输出端通过裸纤适配器与光谱仪连接，测得该L₁长度下不同波长的泵浦光对应的输出功率，设为输出功率组P₁。

(3)重复步骤(2)，设切割总数为N，N≥7次，获得待测双包层增益光纤6的长度分别为L₂、L₃……L_N时，不同波长的泵浦光对应的输出功率，分别记为输出功率组P₂、P₃……P_N。

(4)从上述输出光谱数据组中找出待测波长为λ的泵浦光输出功率，即待测波长为λ的剩余泵浦光功率P_λ-1，P_λ-2，P_λ-3……P_λ-N，统计剩余泵浦光功率P_λ-1，P_λ-2，P_λ-3……P_λ-N与对应待测双包层增益光纤6长度L₁、L₂、L₃……L_N的变化规律，利用线性拟合法得出该待测波长为λ的泵浦光吸收系数，即得到待测双包层增益光纤6对应该待测波长为λ的光的泵浦吸收系数。

实施例1：

一种本发明的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，包括以下步骤：

(1)选取长度L₀为1.57m的待测双包层增益光纤6。采用如图1所示的测试系统，其中待测双包层增益光纤6与传能光纤4熔接，且传能光纤4的参数(纤芯直径30μm、数值孔径0.07，内包层外径400μm、数值孔径0.46)与待测双包层增益光纤6一致(纤芯直径30μm、数值孔径0.07，内包层外径400μm、数值孔径0.46)，待测双包层增益光纤6的增益离子为Yb³⁺离子，增益吸收区为850～1100nm。将泵浦光满数值孔径耦合进入传能光纤4的内包层中，并在传能光纤4的输出端监测功率。该泵谱光源为宽谱泵谱光源(本实施例中，该宽谱所指波长范围在400nm～2000nm之间，但并不限于此，可根据实际需要进行选择)，其谱宽至少覆盖待测双包层增益光纤6的增益吸收区，且光谱功率密度不超过1μW/nm。

(2)自待测双包层增益光纤6的输出端向传能光纤4方向(如图1箭头所指方向)进行切割，切割位置需位于待测双包层增益光纤6上，每次切断的长度在10cm～20cm，切割一次后，所得待测双包层增益光纤的长度为L₁，将待测双包层增益光纤6的输出端通过裸纤适配器与光谱仪(型号为YOKOGAWAAQ6370C)连接，测得该宽谱泵谱光源中不同波长的泵浦光对应的输出功率，设为输出功率组P₁。

(3)重复步骤(2)，共切割10次，获得待测双包层增益光纤长度为L₂、L₃……L₁₀时，宽谱泵浦光源中不同波长的泵浦光对应的输出功率，记为输出功率组P₂、P₃……P₁₀。从获得的输出功率组P₁、P₂、P₃……P₁₀中找出976nm波长的泵浦光的输出功率，即对应波长为976nm的剩余泵浦光功率P_976-1，P_976-2，P_976-3……P_976-10，统计剩余泵浦光功率与对应的待测双包层增益光纤6长度的关系，得到的结果如图2所示，采用线性拟合法做出剩余泵浦光功率与对应的待测双包层增益光纤6长度的变化直线，其斜率即对应976nm的泵浦吸收系数，结果为4.8dB/m。

实施例2：

为了研究待测双包层增益光纤6的长度对测试结果的影响，本实施例中待测双包层增益光纤6的长度L₀选取为3m。按照测试步骤搭建好光路后，从待测双包层增益光纤的输出端向传能光纤方向截取增益光纤，每次截取增益光纤的长度约10cm，截取后测试输出光谱，共截取29次。从光谱中读取976nm波段激光的剩余泵浦光功率，如图3所示。从图中可以看出，当待测双包层增益光纤6的长度在2m以内时，剩余泵浦光功率随增益光纤长度的增加几乎呈线性递减；而当光纤长度大于2m时，模式扰动现象逐渐对剩余泵浦光功率产生影响，剩余泵浦光功率开始出现较大的波动，这说明当采用较长的双包层增益光纤将无法获得准确的测量结果，此时应删去不稳定区域的数据，统计线性区域内的数据并据此计算待测波长的激光的泵浦光吸收系数。本发明选择待测光纤长度≤2m(优选1m～2m，更优选1m～1.5m)，可以有效地消除模式扰动对测试结果的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，包括以下步骤：

(1)选取初始长度L₀≤2m的待测双包层增益光纤，先将所述待测双包层增益光纤与一传能光纤熔接，所述传能光纤为双包层光纤，然后将泵浦光源耦合进入所述传能光纤的内包层中，向所述待测双包层增益光纤进行传输；

(2)自所述待测双包层增益光纤的输出端向所述传能光纤方向进行切割，切割位置位于所述待测双包层增益光纤上，切断的光纤长度为10cm～20cm，切断后，将所得待测双包层增益光纤的输出端通过裸纤适配器与光谱仪连接，测试待测双包层增益光纤的长度为L₁时的输出光功率谱，即不同波长的泵浦光对应的输出功率，设为输出功率组P₁；

(3)重复步骤(2)，设切割总数为N，取N≥7次，得到待测双包层增益光纤长度分别为L₂、L₃……L_N时不同波长的泵浦光对应的输出功率，记为输出功率组P₂、P₃……P_N；

(4)从上述获得的输出功率组P₁、P₂、P₃……P_N中找出待测波长的泵浦光的输出功率，即对应待测波长的剩余泵浦光功率，统计剩余泵浦光功率与待测双包层增益光纤长度的变化规律，采用线性拟合法得出对应待测波长的泵浦光吸收系数，即为待测双包层增益光纤对该待测波长的光的泵浦吸收系数。

2.根据权利要求1所述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，其特征在于，所述待测双包层增益光纤的初始长度L₀为：1m≤L₀≤2m。

3.根据权利要求2所述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，其特征在于，所述待测双包层增益光纤的初始长度L₀为：1m≤L₀≤1.5m。

4.根据权利要求1所述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，其特征在于，所述泵浦光源为宽谱泵浦光源，所述宽谱泵浦光源的谱宽至少覆盖所述待测双包层增益光纤的增益吸收区，且所述宽谱泵浦光源的光谱功率密度不超过1μW/nm。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，其特征在于，所述泵浦光源在耦合进入所述传能光纤内包层时的数值孔径不小于所述传能光纤内包层的数值孔径。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的用于测试双包层增益光纤泵浦吸收系数的方法，其特征在于，所述传能光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径与所述待测双包层增益光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径对应相等。