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RP系列 激光分析设计软件 | 光纤放大器设计第五部分

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    小白

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    发表于 2022-4-26 14:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
    本帖最后由 dannie 于 2022-4-26 14:09 编辑

    光纤放大器的教程包含以下十个部分:
    1、光纤中的稀土离子
    2、增益和泵浦吸收
    3、稳态的自洽解
    4、放大的自发发射
    5、正向和反向泵浦
    6、用于大功率操作的双包层光纤
    7、纳秒脉冲光纤放大器
    8、超短脉冲光纤放大器
    9、光纤放大器噪声
    10、多级光纤放大器
    接下来是Paschotta 博士关于光纤放大器教程的第5部分:

    第五部分:正向和反向泵浦
    如果我们在光纤放大器中放大一些信号,我们有不同的泵浦选项:
    正向泵浦是指泵浦波与信号波的传播方向相同。
    反向泵浦意味着泵浦波沿相反方向传播。
    一个也可以同时双向泵送;这称为双向泵送。


    图 1: 简单的掺铒光纤放大器的示意图。两个激光二极管 (LD) 为掺铒光纤提供泵浦功率,使其能够放大波长约为 1550 nm 的光。两个带尾纤的法拉第隔离器大大降低了设备对背反射的敏感性。

    在下文中,我们将研究各种技术细节,这些细节部分地导致了某些泵送方向的优势。
    电源转换效率
    在简单情况下,有源光纤的寄生损耗可忽略不计,ASE 可忽略不计(参见第 4 部分),放大器的功率转换效率不取决于泵浦方向:
    总增益仅取决于沿光纤的平均激发密度。
    总泵吸收效率也仅取决于该平均值。
    这同样适用于通过荧光(自发发射)损失的功率量。

    所有这些也适用于准三能级激光跃迁,当然也适用于双向泵浦。
    如果光纤具有大量寄生损耗,则反向泵浦更为有效。这是因为泵浦输入端附近的信号很强,抑制了该区域的激发密度,因此泵浦光在寄生损耗得到它之前就被离子有效吸收。在某些情况下,双向泵送可能更有效。然而,大多数放大器只有几米长,在这个长度内的寄生损耗并不是很重要。功率转换效率的一个更重要的差异可能来自 ASE,接下来将讨论:
    放大的自发发射
    我们已经在第 4 部分中看到,如果没有信号输入,ASE 在反向方向上会更强。毫不奇怪,如果我们也有信号输入,这种不对称性并不会消失,而 ASE 的数量(构成功率损耗)在很大程度上取决于信号和泵浦光的相对方向。
    例如,让我们考虑与第 3 部分和第 4部分相同的掺镱光纤放大器。我们已经在左侧看到了 940 nm 的正向泵浦功率和 1030 nm 的 1 mW 信号输入功率如何演变:

    图 2: 沿带正向泵浦的掺镱光纤放大器长度方向的光功率。

    现在我们改为反向泵送:

    图 3: 沿掺镱光纤放大器长度的光功率,现在具有反向泵浦。

    我们看到 ASE 现在微弱到可以忽略不计,我们获得了 346 mW 的信号输出功率,而不是只有 290 mW。ASE 光谱(此处未显示)仅在 1030 nm 附近显示一些弱 ASE,而在 975 nm 附近则更少。975 nm 处的正净增益仅出现在距离左侧约 2 m 的光纤短区域中。
    这些发现非常典型。一般来说,准三电平光纤放大器在反向泵浦时具有较低的 ASE 损耗,因此如果 ASE 损耗会很大,那么该配置中的功率转换效率会更高。对于更高的输入信号功率,造成更强的增益饱和,两个方向的差异更小。

    信号的噪声污染
    另一方面是与信号一起传播的ASE构成该信号的宽带噪声。对于反向泵浦,与信号同向传播的 ASE 对于准三能级系统通常更强——即使 ASE 的总功率损耗更低!因此,对于低噪音运行,前向泵送效果更好,尽管效率可能较低。
    非线性效应
    如果我们放大短脉冲,非线性效应通常是有害的。这将在第 7 部分中讨论,但在这里应该已经提到,反向泵送通常要好得多。原因是对于反向泵浦,脉冲能量和峰值功率最初上升得更慢,因此对于给定的输出峰值功率,空间积分峰值功率变得更低。

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