CN111006848A - 一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，信号源输出的信号光依次通过光纤法兰、光纤衰减器衰减之后，与第一泵浦源输出的泵浦光经过波分复用器合成合束光；合束光与第二泵浦源输出的泵浦光分别通过光纤合束器的信号端与泵浦端输入，光纤合束器的输出光沿掺镱光纤传输，掺镱光纤的输出端与包层光剥离器的输入端熔接，包层光剥离器的输出光束经过低光子暗化滤光光纤进入光功率探测器；低光子暗化滤光光纤为掺Yb光纤；掺杂Yb₂O₃的浓度不高于0.1％wt。本发明的有益效果为光暗化测试装置为全光纤结构，测试系统结构紧凑，测试方法简单，器件成本低，可以精确调控信号源功率，优化测试条件，测试信噪比高。

Description

一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤测试领域，尤其是一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置及方法。

背景技术

随着特种光纤制备技术和光纤激光技术的快速发展，光纤激光器的激光输出功率不断提升，这也不断的拓展了光纤激光器的应用范畴。从较低功率条件下的激光打标，到较高功率的激光加工，例如激光切割、激光打孔、激光打标、激光焊接等等。由于镱离子的能级结构简单，量子亏损小，并且在镱离子吸收峰处有成熟的商用半导体激光器，使得掺镱光纤激光器引领了高功率光纤激光器的快速发展。然而，光纤激光器在高功率条件下长时间工作，会出现激光输出功率随时间逐渐下降的现象，这种现象被称作光暗化效应。

光暗化效应使得光纤激光工作效率降低，光暗化损耗的增大使得光纤热效应加剧，引起模式劣化，甚至存在光纤激光器烧毁的风险。因此，光暗化效应严重影响了光纤激光器的使用性能。为了抑制光纤激光器的光暗化效应，评估光纤激光的光暗化性能，有必要建立一套装置简单，工作安全，测试方便，数据可靠的光暗化测试装置。

掺镱石英光纤的光暗化效应主要有两种测试方法，第一种方法将待测光纤接入到光纤激光器中，长时间考核观测激光功率的变化；另一种方法依据可见光处的光暗化损耗和激光工作波长处的光暗化损耗成正比例关系，使用可见光通入到待测光纤中，测试可见光通过待测光纤后的功率变化，计算可见光处的光暗化损耗，从而间接推算待测光纤在激光工作波长处的光暗化损耗。

但在本申请中，发明人在实施本发明实施列过程中，发现现有的光暗化测试装置存在以下问题：现有的掺镱光纤光暗化效应的强光测试方法，通过使用～1μm的高能激光做为检测光源，检测光波长距离紫外-可见光波段的光暗化“色心”远，光暗化效应不明显，难以检测低光子暗化效应的掺镱光纤的光暗化性能；现有的增益光纤光子暗化测试系统的弱光测试方法，该专利在增益光纤输出端依次接入了准直透镜，半导体激光器输出波长滤波器、增益光纤激发波长滤波器以及窄带光滤波器，未被吸收的高能泵浦光经过准直透镜以及三种滤波器时，产生的热效应会影响测试系统的稳定性，且增益光纤输出端和功率计之间接入了准直透镜以及三种滤波器，系统结构复杂，光学结构稳定性较差，影响测试系统的稳定性。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置及方法，提高光暗化的测试信噪比以及测试灵敏度，同时可检测低光子暗化光纤的光暗化性能，且测试装置结构紧凑，测试系统稳定性高。

本发明采用的技术方案如下：

一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，包括信号源、光纤法兰、泵浦源、波分复用器、掺镱光纤、光纤合束器以及功率探测器，所述泵浦源包括第一泵浦源与第二泵浦源，所述光纤法兰和所述波分复用器之间设有光纤衰减器；所述掺镱光纤与所述功率探测器之间依次设有包层光剥离器以及低光子暗化滤光光纤；所述信号源输出的激光通过光纤法兰后，经过光纤衰减器衰减之后，与第一泵浦源输出的泵浦光经过波分复用器合成合束光；所述合束光与第二泵浦源输出的泵浦光分别通过所述光纤合束器的信号端与泵浦端输入，光纤合束器的输出光沿掺镱光纤传输，掺镱光纤的输出端与包层光剥离器的输入端熔接，包层光剥离器的输出光束经过低光子暗化滤光光纤进入光功率探测器；所述低光子暗化滤光光纤为掺Yb光纤；所述掺杂Yb₂O₃的浓度不高于0.1％wt。

本发明采用的一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化装置以及采用这种方式来测试光暗化的方法，Yb离子反转率高，大幅缩短了光暗化测试时间；在光纤法兰和波分复用器之间设置光纤衰减器，用于调整实际注入到光路中的信号功率；在泵浦注入的方式中，可自由选择纤芯泵浦方式或包层泵浦方式，或同时采用纤芯泵浦方式和包层泵浦方式，选择测试灵活性大；采用的低光子暗化滤光光纤来滤除纤芯中的泵浦光，以及经过包层光玻璃器滤除后残余的泵浦光，使得低光子暗化滤光光纤对泵浦光的吸收不低于20dB。

更进一步的，所述低光子暗化滤光光纤掺P光纤；所述掺杂P₂O₅的浓度不低于3％wt。

掺杂不低于3％wt的P₂O₅用于提高Yb的掺杂均匀性，降低Yb团簇程度，可以进一步降低该光纤的光暗化的效果。P元素是对掺Yb光纤的光暗化“色心”的形成具有较强的抑制作用，进一步降低掺Yb光纤的光暗化效应。

更进一步的，所述低光子暗化滤光光纤掺杂有铝元素。

掺杂一定浓度的铝元素,用于提高Yb石英基质中的溶解度，增强Yb的分散均匀性以及降低纤芯的折射率。

更进一步的，所述信号源为红光激光器，输出红光波长为630～635nm。

更进一步的，所述泵浦源为半导体激光器。

本发明还提供一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置的测试方法，所采用的全光纤结构的掺镱光纤光暗化测试装置测试光暗化损耗的具体方法步骤包括：

A.将信号源、光纤法兰、光纤衰减器、泵浦源、波分复用器、光纤合束器、掺镱光纤、包层光剥离器、低光子暗化滤光光纤以及功率探测器依次连接；

B.打开信号源，调节信号源电流，使得信号源输出光的光功率达到目标值；

C.待信号源输出光光功率稳定后，打开功率计实时计数，监测输出的信号功率，打开泵浦源；

D.监测预定时长后，监测停止，导出监测数据，关闭泵浦源、信号源。

E.根据关系式

计算光暗化损耗，其中α_t为t时刻的光暗化损耗，L为掺镱光纤的长度，P₀为初始时刻功率，P_t为t时刻功率。

F.基于光暗化损耗与时间的关系，根据公式α_t＝α_eq(1-exp(-(t/τ)^β))

进行拟合，计算出平衡态光暗化损耗，其中α_eq为平衡态光暗化损耗，τ为时间标度，β为伸展参数。

更进一步的，所述步骤A中具体包括：所述掺镱光纤长度为5cm～50cm。

更进一步的，所述步骤B具体包括：所述信号源输出光的光功率小于100μW。

信号源的输出功率小于100μW，是为了防止信号源输出的信号光在掺镱光纤中发生明显的光漂白现象。

更进一步的，所述步骤C具体包括：所述打开泵浦源为打开第一泵浦源或打开第二泵浦源或同时打开第一泵浦源和第二泵浦源；当打开第一泵浦源时，泵浦源输出功率大于10mW；打开第二泵浦源时，第二泵浦源输出功率大于10W。

打开第一泵浦源采用的是纤芯泵浦方式注入泵浦光，因其有源光纤吸收系数大，离子反转率高，测试时间短，测试效率高，只需要毫瓦级泵浦光即可实现较高的离子反转率；打开第二泵浦源采用的是包层泵浦方式注入泵浦光，由于吸收系数较小，使得离子反转率在沿光纤长度方向上分布更加均匀，测试的条件容易控制，测试结果更加准确；当同时将第一泵浦源与第二泵浦源打开时，采用的是同时纤芯泵浦方式和包层泵浦方式；因此可以将这几种泵浦方式自由组合，同时对比这几种测试方式，拓宽了光暗化测试方法。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用的全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，采用的是全光纤结构，使得光暗化测试系统结构紧凑，更利于实现仪器设备化，测试装置稳定性高，具有较强的形成光暗化标准测试设备的能力。

2、本发明采用的全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，采用低光子暗化滤光光纤作为滤光器，光纤可以自由盘绕，便于光纤在光暗化测试装置中的紧凑布局，低光子暗化滤光光纤的成本相对于滤光器的成本来说，成本更低。

3、本发明采用的全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，使用红光激光器作为信号源，红光功率过高，光漂白效应明显，测试的光暗化损耗失真。红光功率过低，信噪比降低使得光暗化损耗的测试精度降低。由于红光激光器只有当电流增大到一定程度后，才能产生激光，也即是出光阈值电流。因此，红光激光器本身的功率值只能在一定范围内调节；加入光纤衰减器，可以通过光纤衰减器进一步扩大信号源信号光注入到光路中的功率值的调节范围，从而可以保证不会产生明显的光漂白现象的情况下，尽可能的增大光功率，提高信噪比，优化光暗化测试条件

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置

图2是20/400型双包层掺镱石英光纤的光暗化拟合曲线附图标记；1、信号源；2、光纤法兰；3、光纤衰减器；4、第一泵浦源；5、波分复用器；6、第二泵浦源；7、光纤合束器；8、掺镱光纤；9、包层光剥离器；10、低光子暗化滤光光纤；11、功率探测器；12、功率计表头。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施列一

本实施列公开了一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，如图1所示，该测试装置主要包括信号源1、光纤法兰2、泵浦源、波分复用器5、掺镱光纤8、光纤合束器7以及功率探测器11，所述泵浦源包括第一泵浦源4与第二泵浦源6，所述泵浦源为半导体激光器；所述信号源1为红光激光器，输出红光波长为630～635nm；所述光纤法兰2和所述第一泵浦源4之间设有光纤衰减器3，设置光纤衰减器3主要用于调整实际注入到光路中的信号功率；所述掺镱光纤8与所述功率探测器11之间依次设有包层光剥离器9以及低光子暗化滤光光纤10，设置低光子暗化滤光光纤10，主要是用于滤除纤芯中的泵浦光，以及经过包层滤除器后残余的泵浦光，对红光的损耗小，且自身不会产生光暗化；所述信号源1输出的激光通过光纤法兰2后，经过光纤衰减器3衰减之后，与第一泵浦源4输出的泵浦光经过波分复用器5合成合束光；所述合束光与第二泵浦源6输出的泵浦光分别通过所述光纤合束器7的信号端与泵浦端输入，光纤合束器7的输出光沿掺镱光纤8传输，掺镱光纤8的输出端与包层光剥离器9的输入端熔接，包层光剥离器9的输出光束经过低光子暗化滤光光纤10进入光功率探测器11；所述功率探测器11连接有功率计表头12；所述低光子暗化滤光光纤10为掺Yb光纤；所述掺杂Yb₂O₃的浓度不高于0.1％wt，通过掺镱元素，可以通过掺杂在纤芯中的镱离子，吸收经包层光剥离器后的残余的泵浦光，从而达到滤光的作用，掺镱光纤中，掺杂Yb₂O₃的浓度不高于0.1％wt，是为了降低镱掺杂浓度，从而降低掺镱光纤的光暗化效应；所述低光子暗化滤光光纤10掺杂为掺P光纤；所述掺杂P₂O₅的浓度不低于3％wt；所述低光子暗化滤光光纤10掺杂有铝元素。

实施列二

本实施列是基于实施列一的基础上，选择20/400型双包层掺镱石英光纤为例子进行说明，掺镱光纤8长度为10cm，信号源11是波长为633nm的红光激光器，输出功率为20mW，第二泵浦源6输出功率60W、中心波长为976nm的半导体激光器，光纤合束器7为(6+1)×1型合束器，输出尾纤为20/400双包层光纤，包层光剥离器9为20/400型包层光剥离器9，低光子暗化滤光光纤10的Yb₂O₃的掺杂浓度为0.1％wt，P₂O₅的掺杂浓度为3.5％wt，长度为10m。

实施列三

本实施列是基于实施列一和实施列二的测试装置上，如图1所示，公开了一种掺镱石英光纤光暗化的测试方法，如图1所示其中光暗化的具体测试方法步骤包括：

(1)、将光纤法兰2、光纤衰减器3、泵浦源、波分复用器5、光纤合束器7、掺镱光纤8、包层光剥离器9、低光子暗化滤光光纤10、功率探测器11以及功率计表头12依次连接，选取掺镱光纤8的长度为5～50cm；

(2)、打开信号源1，调节信号源1的电流，使得信号源1输出光的光功率达到目标值，其中信号源1输出光的光功率不大于100μW；

(3)、打开功率探测器11，待信号源1输出的信号光的光功率稳定后，打开功率计实时计数，打开第一泵浦源4，第一泵浦源4的功率大于100mW；

(4)、实时监测并记录在一定时间内信号源1输出信号光经过掺镱光纤8后的功率值，经过一定时间段的测试后，停止功率计的检测，保存测试数据，关闭第一泵浦源4、信号源1。

实施列四

本实施列是基于实施列一和实施列二的测试装置上，公开了一种掺镱石英光纤光暗化的测试方法，如图1所示其中光暗化的具体测试方法步骤包括：

(1)、将光纤法兰2、光纤衰减器3、泵浦源、波分复用器5、光纤合束器7、掺镱光纤8、包层光剥离器9、低光子暗化滤光光纤10、功率探测器11以及功率计表头12沿信号源1输出光依次连接，选取掺镱光纤8的长度为5～50cm；

(2)、打开信号源1，调节信号源1的电流，使得信号源1输出光的光功率达到目标值，其中信号源1输出光的光功率不大于100μW；

(3)、打开功率探测器11，待信号源1输出的信号光的光功率稳定后，打开功率计实时计数，打开第二泵浦源6，第二泵浦源6的功率大于10W；

(4)、实时监测并记录在一定时间内信号源1输出信号光经过掺镱光纤8后的功率值，经过一定时间段的测试后，停止功率计的检测，保存测试数据，关闭第二泵浦源6、信号源1。

实施列五

本实施列是基于实施列一和实施列二的测试装置上，公开了一种掺镱石英光纤光暗化的测试方法，如图1所示其中光暗化的具体测试方法步骤包括：

(1)、将光纤法兰2、光纤衰减器3、泵浦源、波分复用器5、光纤合束器7、掺镱光纤8、包层光剥离器9、低光子暗化滤光光纤10、功率探测器11以及功率计表头12沿信号源1输出光依次连接，选取掺镱光纤8的长度为5～50cm；

(2)、打开信号源1，调节信号源1的电流，使得信号源1输出光的光功率达到目标值，其中信号源1输出光的光功率不大于100μW；

(3)、打开功率探测器11，待信号源1输出的信号光的光功率稳定后，打开功率计实时计数，同时打开第一泵浦源4和第二泵浦源6，第一泵浦源4的功率大于10mW，第二泵浦源6的功率大于10W；

(4)、实时监测并记录在一定时间内信号源1输出信号光经过掺镱光纤8后的功率值，经过相同时间段的测试后，停止功率计的检测，保存测试数据，关闭第一泵浦源4和第二泵浦源6、信号源1。

实施列六

本实施列是基于实施列三到实施列五之间的关于光暗化损耗的计算式以及平衡态光暗化损耗计算：计算光暗化损耗算式

其中，α_t为t时刻的光暗化损耗(dB/m)，P_t为t时刻的信号源11的光功率值(mW)，P₀为初始时刻信号源11的光功率值(mW)，L为掺镱光纤8长度(m)，作出光暗化损耗与时间的关系图，根据公式α_t＝α_eq(1-exp(-(t/τ)^β))进行拟合，获得光暗化损耗与时间的拟合曲线，计算出平衡态光暗化损耗，其中α_t时刻的光暗化损耗，α_eq衡态光暗化损耗，τ为时间标度，β为伸展参数。

实施列七

本实施列是基于实施列四和实施列六的方法计算上，公开了一种具体的光暗化的测试参数，当信号源11输出光的波长为633nm，第二泵浦源6的输出功率为60W的时候，调节信号光激光器驱动，使得信号源11输出光的输出功率为3μW，调节泵浦源的功率到60W，功率探测器11实时监测和记录信号光经过掺镱光纤8后的功率值，其中监测的时间为200min，根据光暗化测试的结构，该光纤平衡态的光暗化损耗为130.37dB/m。

综上所述，本发明采用的全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置及测试方法，不仅结构简单紧凑，操作简单，方法容易操作，且使的泵浦光注入功率增加，光暗化测试中的离子反转率更高，测得光暗化损耗时间更短，光暗化损耗的精度更高；可以保证光束质量较好的纤芯残余泵浦光在经过较短的光程后完全作用在探测器上，使得测试的稳定性能更好。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，包括信号源、光纤法兰、泵浦源、波分复用器、掺镱光纤、光纤合束器以及功率探测器，所述泵浦源包括第一泵浦源与第二泵浦源，其特征在于：所述光纤法兰和所述波分复用器之间设有光纤衰减器；所述掺镱光纤与所述功率探测器之间依次设有包层光剥离器以及低光子暗化滤光光纤；所述信号源输出的信号光依次通过光纤法兰、光纤衰减器衰减之后，与第一泵浦源输出的泵浦光经过波分复用器合成合束光；所述合束光与第二泵浦源输出的泵浦光分别通过所述光纤合束器的信号端与泵浦端输入，光纤合束器的输出光沿掺镱光纤传输，掺镱光纤的输出端与包层光剥离器的输入端熔接，包层光剥离器的输出光束经过低光子暗化滤光光纤进入光功率探测器；所述低光子暗化滤光光纤为掺Yb光纤；所述掺杂Yb₂O₃的浓度不高于0.1％wt。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，其特征在于：所述低光子暗化滤光光纤掺P光纤；所述掺杂P₂O₅的浓度不低于3％wt。

3.根据权利要求2所述的一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，其特征在于：所述低光子暗化滤光光纤掺杂铝元素。

4.根据权利要求1所述的一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，其特征在于：所述信号源为红光激光器，输出红光波长为630～635nm。

5.根据权利要求1所述的一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置，其特征在于：所述泵浦源为半导体激光器。

6.根据权利要求1、2、3、4、5任一所述的一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置的方法，其特征在于：所采用的全光纤结构的掺镱光纤光暗化测试装置测试光暗化损耗的具体方法步骤包括：

A.将光纤法兰、光纤衰减器、泵浦源、波分复用器、光纤合束器、掺镱光纤、包层光剥离器、低光子暗化滤光光纤以及功率探测器沿信号源输出光依次连接；

B.打开信号源，调节信号源电流与光纤衰减器，使得信号源输出光的光功率达到目标值；

C.待信号源输出光光功率稳定后，打开功率计实时计数，监测输出的信号功率，打开泵浦源；

D.监测预定时长后，监测停止，导出监测数据，关闭泵浦源、信号源。

E.根据关系式

计算光暗化损耗，其中α_t为t时刻的光暗化损耗，L为掺镱光纤的长度，P₀为初始时刻功率，P_t为t时刻功率；

F.基于光暗化损耗与时间的关系，根据公式α_t＝α_eq(1-exp(-(t/τ)^β))进行拟合，得到平衡态光暗化损耗，其中α_eq为平衡态光暗化损耗，τ为时间标度，β为伸展参数。

7.根据权利要求6所述的一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置的方法，其特征在于：所述步骤A具体包括：所述掺镱光纤长度为5cm～50cm。

8.根据权利要求6所述的一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置的方法，其特征在于：所述步骤B具体包括：所述信号源输出光的光功率不大于100μW。

9.根据权利要求6所述的一种全光纤结构的掺镱石英光纤光暗化测试装置的方法，其特征在于：所述步骤C中具体包括：所述打开泵浦源为打开第一泵浦源或打开第二泵浦源或同时打开第一泵浦源和第二泵浦源；当打开第一泵浦源时，泵浦源输出功率大于10mW；打开第二泵浦源时，第二泵浦源输出功率大于10W。

Images