CN107306005A - 一种光纤激光放大器及减小其自发辐射的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤激光放大器及减小其自发辐射的方法和系统，所述方法包括：在制作激光放大器所使用的光纤时，根据激光放大器的特性参数确定激光放大器所需光纤的光纤长度，沿所述光纤的长度方向，增益光纤掺杂浓度随激光放大器的输入信号光传输距离的变化而调整确定，其中，增益光纤掺杂浓度随激光放大器的输入信号光传输距离的变化而突变或者随激光放大器的输入信号光传输距离的增加而逐渐增加。此外，光纤中作为所述激光放大器的信号光输入端的一端所述增益光纤掺杂浓度最低。本发明能够提高光纤放大器增益效率，减少激光放大过程中产生的放大自发辐射和非线性效应，可实现优化增益光纤至长度较短，提高激光放大效率的目的。

Description

一种光纤激光放大器及减小其自发辐射的方法和系统
技术领域
本发明涉及光纤激光放大技术领域，具体为一种光纤激光放大器及减小其自发辐射的方法和系统。
背景技术
在任何的激光放大器中，自发辐射都不可避免。自发辐射是各向性；虽然其中大部分会通过光纤侧面发射出去，但仍有小部分在纤芯和包层中随着信号光或者泵浦光，沿光纤双向传播，并且得到放大，被称为放大的自发辐射。在高增益(40～50dB)放大器中，放大自发辐射会极大地限制单级光纤放大器的增益峰值；从而，对于诸如超短脉冲光，要实现较高增益的放大，就得采用多级放大器，这既增加了放大系统的复杂程序，又可能在放大过程中引入其它的非线性效应。在一些光纤激光器中，严重的放大自发辐射会导致增益饱和，会导致光脉冲形状变形，甚至阻止特定波长的激光产生。即便放大自发辐射没有强到影响信号光的的放大，因为其一般具有相对更宽的光谱，与信号一同传输，会显著地降低信噪比。
放大自发辐射的强度主要由放大增益决定。为了减小放大自发辐射的影响，单级激光放大器的增益理论值就得小于40dB(此时，放大自发辐射已在30dB以上)——这严重制约了光纤激光放大器的发展。此外，光纤中传输波导的模式越多，放大自发辐射也更强；通常，大功率器件采用的多为多模光纤，因此也会产生更强的放大自发辐射。在准三能级系统中，较高的激发密度也导致放大自发辐射更强。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光纤激光放大器及减小其自发辐射的方法和系统，用于解决现有技术中光纤激光放大器中自发辐射严重的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种减小光纤激光放大器自发辐射的方法，所述减小光纤激光放大器自发辐射的方法包括：在制作激光放大器所使用的光纤时，根据所述激光放大器的特性参数确定所述激光放大器所需光纤的光纤长度，沿所述光纤的长度方向，增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而调整确定。
优选地，所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而突变。
优选地，所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的增加而逐渐增加。
优选地，所述光纤中作为所述激光放大器的信号光输入端的一端所述增益光纤掺杂浓度最低。
优选地，所述激光放大器的特性参数至少包括输入信号光强度、放大倍数和设定增益。
为实现上述目的，本发明还提供一种减小光纤激光放大器自发辐射的系统，所述减小光纤激光放大器自发辐射的系统包括：光纤长度确定模块，用于在制作激光放大器所使用的光纤时，根据所述激光放大器的特性参数确定所述激光放大器所需光纤的光纤长度；掺杂浓度调整模块，用于沿光纤的长度方向，随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而调整确定增益光纤掺杂浓度。
优选地，所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而突变。
优选地，所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的增加而逐渐增加。
优选地，所述光纤中作为所述激光放大器的信号光输入端的一端所述增益光纤掺杂浓度最低。
优选地，所述激光放大器的特性参数至少包括输入信号光强度、放大倍数和设定增益。
为实现上述目的，本发明还提供一种激光放大器，所述激光放大器中所使用的光纤为根据如上所述的减小光纤激光放大器自发辐射的方法中所述的光纤。
如上所述，本发明的一种光纤激光放大器及减小其自发辐射的方法和系统，具有以下有益效果：
1、本发明通过沿所述光纤的长度方向，增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而调整确定，能够提高光纤放大器增益效率，减少激光放大过程中产生的放大自发辐射和非线性效应。
2、本发明通过设计增益光纤掺杂浓度的变化，增加实用单级光纤放大器的增益极限，对任一放大器，可实现优化增益光纤至长度较短，取代光纤激光器多级放大的系统结构，提高激光放大效率的目的。
3、本发明既提高了光纤对信号光与泵浦光吸收效率，又减少了放大自发辐射的产生，从而减短同比例放大所需增益光纤的长度，同时提高了超短脉冲激光的输出功率，特别是脉冲峰值功率。
附图说明
图1显示为本发明的减小光纤激光放大器自发辐射的方法的流程示意图。
图2显示为本发明的减小光纤激光放大器自发辐射的系统的结构示意图。
元件标号说明
1 减小光纤激光放大器自发辐射的系统
11 光纤长度确定模块
12 掺杂浓度调整模块
S11～S12 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例的目的在于提供一种光纤激光放大器及减小其自发辐射的方法和系统，用于解决现有技术中光纤激光放大器中自发辐射严重的问题。以下将详细阐述本实施例的一种光纤激光放大器及减小其自发辐射的方法和系统的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的一种光纤激光放大器及减小其自发辐射的方法和系统。
本实施例提供一种减小光纤激光放大器自发辐射的方法，具体地，如图1所示，所述减小光纤激光放大器自发辐射的方法包括以下步骤。
步骤S11，在制作激光放大器所使用的光纤时，根据所述激光放大器的特性参数确定所述激光放大器所需光纤的光纤长度。
具体地，于本实施例中，所述激光放大器的特性参数至少包括输入信号光强度、放大倍数和设定增益。
更进一步地，于本实施例中，计算出激光放大器给定信号光、泵浦光以及要求增益下，非线性效应将显著加强的光纤长度，以该长度的十分之一作为放大器光纤的总长度。
步骤S12，沿所述光纤的长度方向，增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而调整确定。即以信号光传播距离为变量，设计增益光纤掺杂浓度函数。
具体地，于本实施例中，所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而突变。具体仿真如下：给定1W左右的13皮秒脉冲光，在低掺杂浓度5*10^25/m^3的光纤放大器中，正向泵浦140W，在光纤长度略大于5米时，泵浦吸收较完全，放大后信号光功率略大于15W；同样情况下，在高掺杂浓度1*10^26/m^3的光纤放大器中，光纤长度接近3米就可以达到泵浦吸收较完全、放大信号光至15W。对比地，将光纤放大器设计为一半长度为低掺杂浓度，一半为高掺杂浓度，所需的光纤长度变为3.8米，但是自相位调制等非线性效应减少为全低掺杂浓度放大器的60％，产生的ASE最大值减少为全高掺杂浓度放大器的50％。
或者于本实施例中，所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的增加而逐渐增加。具体仿真如下：将光纤放大器设计为掺杂浓度线性地由低掺杂浓度均匀增加至高掺杂浓度，达到同样放大效果所需的光纤长度约3.5米，自相位调制等非线性效应相对突变设计的放大器略有5％的减少，而ASE的最大功率则增加了8％。
更进一步地，于本实施例中，所述光纤中作为所述激光放大器的信号光输入端的一端所述增益光纤掺杂浓度最低，由于信号光输入端激发密度低从而减少自发辐射及其放大。随着信号光逐渐被放大功率增大，增加增益光纤掺杂浓度度，从而泵浦光被吸引更充分转化为信号光。因而于本实施例中，增益光纤的掺杂浓度不是固定值，而是根据放大器输入信号光、泵浦光的强度及需要放大的倍数，计算出的以为光传输距离为变量的掺杂浓度函数。这样既提高了光纤对信号光与泵浦光吸收效率，又减少了放大自发辐射的产生，从而减短同比例放大所需增益光纤的长度，同时提高了超短脉冲激光的输出功率，特别是脉冲峰值功率。
为实现上述减小光纤激光放大器自发辐射的方法，本实施例对应提供一种减小光纤激光放大器自发辐射的系统，具体地，如图2所示，所述减小光纤激光放大器自发辐射的系统包括：光纤长度确定模块和掺杂浓度调整模块。
于本实施例中，所述光纤长度确定模块用于在制作激光放大器所使用的光纤时，根据所述激光放大器的特性参数确定所述激光放大器所需光纤的光纤长度。
具体地，于本实施例中，所述激光放大器的特性参数至少包括输入信号光强度、放大倍数和设定增益。
更进一步地，于本实施例中，计算出激光放大器给定信号光、泵浦光以及要求增益下，非线性效应将显著加强的光纤长度，以该长度的十分之一作为放大器光纤的总长度。
于本实施例中，所述掺杂浓度调整模块用于沿光纤的长度方向，随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而调整确定增益光纤掺杂浓度。即以信号光传播距离为变量，设计增益光纤掺杂浓度函数。
具体地，于本实施例中，所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而突变或者所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的增加而逐渐增加。
更进一步地，于本实施例中，所述光纤中作为所述激光放大器的信号光输入端的一端所述增益光纤掺杂浓度最低，由于信号光输入端激发密度低从而减少自发辐射及其放大。随着信号光逐渐被放大功率增大，增加增益光纤掺杂浓度度，从而泵浦光被吸引更充分转化为信号光。因而于本实施例中，增益光纤的掺杂浓度不是固定值，而是根据放大器输入信号光、泵浦光的强度及需要放大的倍数，计算出的以为光传输距离为变量的掺杂浓度函数。这样既提高了光纤对信号光与泵浦光吸收效率，又减少了放大自发辐射的产生，从而减短同比例放大所需增益光纤的长度，同时提高了超短脉冲激光的输出功率，特别是脉冲峰值功率。
此外，本实施例还提供一种激光放大器，所述激光放大器中所使用的光纤为根据如上所述的减小光纤激光放大器自发辐射的方法中所述的光纤。在此不再赘述。
综上所述，本发明通过沿所述光纤的长度方向，增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而调整确定，能够提高光纤放大器增益效率，减少激光放大过程中产生的放大自发辐射和非线性效应；本发明通过设计增益光纤掺杂浓度的变化，增加实用单级光纤放大器的增益极限，对任一放大器，可实现优化增益光纤至长度较短，取代光纤激光器多级放大的系统结构，提高激光放大效率的目的；本发明既提高了光纤对信号光与泵浦光吸收效率，又减少了放大自发辐射的产生，从而减短同比例放大所需增益光纤的长度，同时提高了超短脉冲激光的输出功率，特别是脉冲峰值功率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种减小光纤激光放大器自发辐射的方法，其特征在于：所述减小光纤激光放大器自发辐射的方法包括：
在制作激光放大器所使用的光纤时，根据所述激光放大器的特性参数确定所述激光放大器所需光纤的光纤长度，沿所述光纤的长度方向，增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而调整确定。
2.根据权利要求1所述的减小光纤激光放大器自发辐射的方法，其特征在于：所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而突变。
3.根据权利要求1所述的减小光纤激光放大器自发辐射的方法，其特征在于：所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的增加而逐渐增加。
4.根据权利要求1所述的减小光纤激光放大器自发辐射的方法，其特征在于：所述光纤中作为所述激光放大器的信号光输入端的一端所述增益光纤掺杂浓度最低。
5.根据权利要求1所述的减小光纤激光放大器自发辐射的方法，其特征在于：所述激光放大器的特性参数至少包括输入信号光强度、放大倍数和设定增益。
6.一种减小光纤激光放大器自发辐射的系统，其特征在于：所述减小光纤激光放大器自发辐射的系统包括：
光纤长度确定模块，用于在制作激光放大器所使用的光纤时，根据所述激光放大器的特性参数确定所述激光放大器所需光纤的光纤长度；
掺杂浓度调整模块，用于沿光纤的长度方向，随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而调整确定增益光纤掺杂浓度。
7.根据权利要求6所述的减小光纤激光放大器自发辐射的系统，其特征在于：所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的变化而突变。
8.根据权利要求6所述的减小光纤激光放大器自发辐射的系统，其特征在于：所述增益光纤掺杂浓度随所述激光放大器的输入信号光传输距离的增加而逐渐增加。
9.根据权利要求6所述的减小光纤激光放大器自发辐射的系统，其特征在于：所述光纤中作为所述激光放大器的信号光输入端的一端所述增益光纤掺杂浓度最低。
10.根据权利要求6所述的减小光纤激光放大器自发辐射的系统，其特征在于：所述激光放大器的特性参数至少包括输入信号光强度、放大倍数和设定增益。
11.一种激光放大器，其特征在于，所述激光放大器中所使用的光纤为权利要求1～权利要求5任一权利要求所述的减小光纤激光放大器自发辐射的方法中所述的光纤。
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