CN110095258B - 一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置及测量方法，测量装置包括依次设置的任意波形发生器、可调谐种子源激光器、光纤激光预放大器、第一包层光剥离器、带通滤波器、隔离器、(2+1)×1合束器、待测有源光纤、第二包层光剥离器和脉冲能量计；(2+1)×1合束器前方还设置有激光泵浦源；任意波形发生器控制可调谐种子源激光器产生重复频率和脉宽可调的种子光；光纤激光预放大器对种子光进行预放大，以保证种子光能完全提取待测有源光纤中存储的能量；预放大后的种子光和激光泵浦源输出的泵浦激光由(2+1)×1合束器耦合到待测有源光纤中，待测有源光纤后熔接第二包层光剥离器滤除多余泵浦光，最终输出的脉冲光由脉冲能量计进行探测。

Description

一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于有源光纤中稀土离子能级寿命测量领域，特别是涉及一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置及测量方法。
背景技术
光纤激光器相对于传统固体激光器，具有光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，近年来在激光加工、激光制造、国防军工等方面对光纤激光器有着巨大的市场需求。随着光纤激光器的广泛应用，作为光纤激光器增益介质的稀土掺杂有源光纤也获得了广泛关注和研究。对于光纤激光器，基于主振荡功率放大技术的光纤激光放大器是实现高功率输出的主要手段，而有源光纤掺杂离子的能级寿命影响着激光放大系统的反转粒子数分布、泵浦效率和输出脉冲能量等，因此获得增益光纤中Yb3+能级寿命对优化系统设计，提升光纤激光器性能至关重要。
近些年发展出多种测量玻璃或晶体中掺杂离子寿命的方法，包括激光诱导荧光光谱法、线宽测量法、延迟复合法、束箔法等，但对有源光纤中离子能级寿命测量方法报道的较少。通常是将玻璃或晶体中稀土离子能级寿命测试方法应用到掺杂光纤能级寿命的测量上，或者将掺杂光纤能级寿命等效为光纤预制玻璃中掺杂离子的能级寿命。前者测试系统复杂数据处理繁琐，后者则忽视了光纤拉制过程中温度压力变化以及杂质引入对掺杂离子寿命的影响。因此，提出一种有源光纤中稀土离子能级寿命的新方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置及测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置，包括依次设置的任意波形发生器、可调谐种子源激光器、光纤激光预放大器、第一包层光剥离器、带通滤波器、隔离器、(2+1)×1合束器、待测有源光纤、第二包层光剥离器和脉冲能量计；所述(2+1)×1合束器前方还设置有激光泵浦源；所述任意波形发生器控制可调谐种子源激光器产生重复频率和脉宽可调的种子光；光纤激光预放大器对种子光进行预放大，以保证种子光能完全提取待测有源光纤中存储的能量；预放大后的种子光和激光泵浦源输出的泵浦激光由(2+1)×1合束器耦合到待测有源光纤中，待测有源光纤后熔接第二包层光剥离器滤除多余泵浦光，最终输出的脉冲光由脉冲能量计进行探测。
进一步的，所述的任意波形发生器能产生脉冲宽度和重复频率可调的射频信号，可调谐种子源激光器在任意波形发生器控制下可产生与射频信号相同的脉冲种子光。
进一步的，所述光纤激光预放大器将脉冲种子光放大到能完全提取待测光纤中存储能量的程度。
进一步的，所述的待测有源光纤为稀土掺杂双包层光纤，待测有源光纤内的掺杂离子包括Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等。
一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量方法，适用于单包层有源光纤及双包层有源光纤，包括以下步骤：
(1)利用任意波形发生器控制可调谐种子源激光器产生脉冲宽度和重复频率可调的种子光；
(2)光纤激光预放大器对种子光进行放大，(2+1)×1合束器将放大后的脉冲种子光和泵浦光耦合到待测光纤中；
(3)固定泵浦光功率，测量经待测光纤放大后的输出脉冲能量随种子光重复频率变化的关系曲线。根据关系曲线可以获得输出脉冲能量下降到最大值的(1-1/e)倍时的重复频率；
(4)改变泵浦功率，重复步骤(3)的实验过程，可以获得不同泵浦功率下输出脉冲能量下降到最大值的(1-1/e)倍时的重复频率。做出此重复频率和泵浦功率的拟合关系直线，拟合直线在重复频率轴上截距的倒数为有源光纤中稀土离子的能级寿命。
进一步的，上述有源光纤中稀土离子能级寿命测量方法，步骤(3)和步骤(4)不但适用于有源光纤寿命测量，还适用于各种稀土掺杂晶体或稀土掺杂玻璃中能级寿命的测量。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.有源光纤中稀土离子能级寿命测试结果不受泵浦功率饱和及有源纤长度，重吸收效应以及自发辐射效应等的影响，在种子光满足完全提取光纤储能时种子光能量变化也不影响测试结果；
2.本发明有源光纤中稀土离子能级寿命测量方法中的步骤(3)和步骤(4)不但适用于有源光纤寿命测量，还适用于各种稀土掺杂晶体或稀土掺杂玻璃中能级寿命的测量。
3.待测有源光纤其掺杂离子可以是Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等，适用于多种纤芯/包层直径的双包层光纤，如：5/130μm、6/125μm、10/130μm、12/125μm等。
4.该测量方法所用的各器件均为市面上常见器件，易于获得。探测装置为普通脉冲能量计，探测简单，探测结果受环境因素影响小。
附图说明
图1为本发明测量装置的结构示意图；
图2为实验测得的放大后单脉冲能量随重复频率变化的关系曲线及本发明数据处理过程。
图3为使用图1装置按本发明所述测量方法测得的泵浦功率与重复频率的拟合关系直线。
附图标记：1-任意波形发生器，2-可调谐种子源激光器，3-光纤激光预放大器，4-激光泵浦源，5-(2+1)×1合束器，6-待测有源光纤，7-包层光剥离器，8-脉冲能量计，9-包层光剥离器，10-带通滤波器，11-隔离器；12-8°角
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例的测量装置图如图1所示，任意波形发生器1型号为Agilgent81160A，可调谐种子源激光器2中心波长为1064.3nm，峰值功率为3mW，任意波形发生器1控制可调谐种子源激光器2产生重复频率和脉宽可调的种子光。为保证种子光能完全提取待测有源光纤6中存储的能量，首先利用自行搭建的光纤激光预放大器3对种子光进行预放大，该光纤激光预放大器3包括两级纤芯泵浦放大级和一级包层泵浦放大。光纤激光预放大器3后熔接的包层光剥离器9用于滤除残余的泵浦光，包层光剥离器9后熔接中心波长1064nm带宽3nm的带通滤波器10用于滤除自发辐射光，带通滤波器10后熔接隔离器11防止功率放大级产生的后向光损坏前级器件。将种子光的重频和脉宽分别设置为1kHz和3μs，在光纤激光预放大器3后获得了信噪比30dB单脉冲能量11μJ的输出。预放大后的种子光和激光泵浦源4发出的中心波长为976nm的泵浦光由(2+1)×1合束器5耦合到待测有源光纤6中，待测有源光纤6后通过包层光剥离器7滤除多余泵浦光，并在输出端切8°角12以减少端面反射，最终输出的脉冲光由OPHIR PE10-C型脉冲能量计8进行探测。
本实施例中对Liekki公司的1m长LMA-YDF-12/125光纤进行了测量，该光纤掺杂稀土离子为Yb3+，纤芯直径为12μm、包层直径为125μm，对976nm泵浦激光的包层吸收系数为11dB/m。将该有源光纤作为放大级增益光纤，按本发明有源光纤掺杂稀土离子能级寿命测试方法和测量装置进行测量，通过改变种子光的重复频率，测量脉冲能量下降到(1-1/e)时的重复频率值，如图2所示，低重复频率种子光放大后输出单脉冲能量约为125μJ，当输出单脉冲能量下降(1-1/e)即为79μJ时，相应的种子光重复频率增加到3kHz。改变泵浦功率，在不同泵浦功率下重复上述实验过程进行测量，根据测量结果拟合出重复频率与泵浦功率的关系如图3所示，拟合直线在泵浦功率为0时的截距为1.58kHz，根据上文理论推导，该截距的倒数0.63ms即是该光纤中Yb3+的寿命。从图3的测试结果可以看出，随着泵浦功率的增加，拟合直线表现出线性增长，说明功率放大级泵浦饱和不影响该方法的测试结果
上述本发明实施例虽然只针对掺镱双包层光纤进行了测量说明，不表明该方法只适用于掺镱双包层光纤的能级寿命测量，所述方法对掺杂其它类型稀土离子的有源纤同样适用。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置，其特征在于，包括前后依次设置的任意波形发生器、可调谐种子源激光器、光纤激光预放大器、第一包层光剥离器、带通滤波器、隔离器、(2+1)×1合束器、待测有源光纤、第二包层光剥离器和脉冲能量计；所述(2+1)×1合束器前方还设置有激光泵浦源；所述任意波形发生器控制可调谐种子源激光器产生重复频率和脉宽可调的种子光；光纤激光预放大器对种子光进行预放大，以保证种子光能完全提取待测有源光纤中存储的能量；预放大后的种子光和激光泵浦源输出的泵浦激光由(2+1)×1合束器耦合到待测有源光纤中，待测有源光纤后熔接第二包层光剥离器滤除多余泵浦光，最终输出的脉冲光由脉冲能量计进行探测。
2.根据权利要求1所述一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置，其特征在于，所述的任意波形发生器能产生脉冲宽度和重复频率可调的射频信号，可调谐种子源激光器在任意波形发生器控制下可产生与射频信号相同的脉冲种子光。
3.根据权利要求1所述一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置，其特征在于，所述光纤激光预放大器将脉冲种子光放大到能完全提取待测光纤中存储能量的程度。
4.根据权利要求1所述一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置，其特征在于，所述的待测有源光纤为稀土掺杂双包层光纤，待测有源光纤内的掺杂离子包括Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+。
5.一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量方法，基于权利要求1所述有源光纤中稀土离子能级寿命测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用任意波形发生器控制可调谐种子源激光器产生脉冲宽度和重复频率可调的种子光；
(2)光纤激光预放大器对种子光进行放大，(2+1)×1合束器将放大后的脉冲种子光和泵浦光耦合到待测光纤中；
(3)固定激光泵浦源输出的泵浦光功率，测量经待测光纤放大后的输出脉冲能量随种子光重复频率变化的关系曲线；根据关系曲线获得输出脉冲能量下降到最大值的(1-1/e)倍时的重复频率；
(4)改变激光泵浦源输出功率，重复步骤(3)的实验过程，获得不同泵浦功率下输出脉冲能量下降到最大值的(1-1/e)倍时的重复频率；做出此重复频率和泵浦功率的拟合关系直线，拟合关系直线在重复频率轴上截距的倒数为有源光纤中稀土离子的能级寿命。
6.根据权利要求5所述一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量方法，其特征在于，所述测量方法适用于单包层有源光纤及双包层有源光纤。
7.根据权利要求5所述一种有源光纤中稀土离子能级寿命测量方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)适用于有源光纤寿命测量、稀土掺杂晶体或稀土掺杂玻璃中能级寿命的测量。
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