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泵浦运行原理的影响

在激光器中,通常采用的泵浦方式有前向泵浦、后向泵浦以及双向泵浦。前向泵浦是最常见最容易实现的泵浦方式,对光纤激光器的器件来说也是最保险的。后向泵浦通常能够获得稍高的效率,其增益与功率放大能够较好的匹配,但是对器件有一定要求,在器件安全方面需要设计和慎重。而双向泵浦在泵浦亮度一定的情况下,能够具有更大的功率扩展能力,功率放大也比较均匀,但是在器件安全方面需要做比较周全的考虑。由于DSCCP光纤具有单独的泵浦通道,不受合束器等器件的限制,可以非常方便的实现这三种泵浦方式。下面主要从功率放大和出光效率的角度来考虑激光器的特性。

 

假设东莞南方水泵泵浦功率分别从前向注入、后向注入和两端各一半功率双向注入,利用激光器模型分析信号光产生过程,比较信号光功率分布随泵浦方式的变化关系:

 

根据模型计算得到前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦的输出功率分别为94.7W、95.8W和95.3W,可见通常情况是后向泵浦的效率最高,前向泵浦最低。图1显示前向泵浦的信号光功率在光纤的前段增长很快;后向泵浦的信号光功率则在光纤的后段增长很快;双向泵浦的信号光增长则沿光纤轴向比较均匀,更有利于发挥光纤便于散热的优势,并且具有双倍的泵浦功率注入能力。

图1:信号光功率随泵浦方式的变化

信号光功率随泵浦方式的变化

泵浦光分布的差别导致了这两种激光器特性的不同,基于这个模型,我们将对这两种激光器的输出特性进行比较,这里我们采用光光效率来衡量激光器的输出特性。激光器产生的热与掺杂离子上下能级的跃迀,激光转换的量子亏损以及背景损耗转换的热量有关,根据前面稳态速率方程的结果并结合热传导方程,可以推导光纤激光器产生的热量和温度分布。

 

由于光纤中的热主要产生于有源纤芯,热效应也是由纤芯的高温导致的。这样,纤芯温度可以用来估计热效应,即纤芯温度越高,其中的热效应就越严重。我们利用纤芯温度来衡量这两种光纤激光器的热效应差别。值得注意的是热效应(尤其是热损伤)一般都是由纤芯中的最高温度导致的。因此控制纤芯的最高温度对于光纤激光器的安全运行是非常重要的。下面我们将比较这两种光纤激光器的最高纤芯温度。

 

广东南方泵业对于DCF光纤,峰值温度位于泵浦光纤的两个输入端,因为泵浦光在两端最强。由于有两个峰值温度点,我们都用最大值来计算最高温度的比值,这样可以分别给出这两种光纤激光器的最高温度比值随耦合系数和吸收系数的关系图。

图2:最高温度之比与吸收系数(a)和耦合系数(b)的关系

最高温度之比与吸收系数(a)和耦合系数(b)的关系

图2显示常规双包层光纤激光器的最高温度总比DSCCP光纤激光器高,尤其是对小的耦合系数和大的吸收系数。显示温度比值随着吸收系数的增加而减小,说明对于大的吸收系数,DSCCP光纤激光器的热效应能够明显缓解。这意味着对于高掺杂的光纤,DSCCP光纤激光器面临的热效应没有常规双包层光纤激光器大;当然,随着耦合系数的变大,两种光纤激光器的最高温度比值也在变大;当耦合系数大于6m时,热效应的缓解变得不太明显了,因此南方水泵耦合系数的增加对于改善热效应是不利的。从可以得出类似的结论,最高温度比值随着耦合系数的增加而单调增加,并且随着吸收系数的增加而减小。特别地,当吸收系数足够小时(例如Y=0.01m),两种激光器的温度几乎一样。