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影响调Q光纤激光器性能的重要因素分析

2014-05-26 10:07
龙凰
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作者:黄琳、刘永智

  20世纪80年代后期出现的包层泵浦技术,通过光纤内包层耦合泵浦能量大大提高了光纤激光器入纤泵浦能量和输出激光能量。目前,连续激光输出功率已高达10kW。但是许多应用领域需要脉冲激光,采用调Q技术可以实现短脉冲激光的输出。这种短脉冲激光在测距、OTDR、通信系统、远程传感、高速全息照相、军事、医疗等方面被广泛应用。普通固体调Q激光器的研究已经逐步成熟,但其体积大,输出能量较低。为了得到高单脉冲能量激光,人们把目光转向对光纤激光器调Q。2001年,C. C.Renaud等用低数值孔径大模场光纤(LMA)作 增益介质,采用声光调制器(AOM)调Q获得2.3mJ 的单脉冲输出能量;2002年R.Selvas等报道采用 掺镱光纤作增益介质以及AOM调Q在980nm处获得脉宽小于20ns、 能量1.2μJ的脉冲激光;2004年P.D.Dragic采用受激布里渊散射和AOM共同调Q产生重复频率500Hz、1.2μJ单脉冲能量的脉冲输出。本文从理论上分析了提高调Q光纤激光器输出脉冲能量应考虑的因素。

  1、理论分析

  调Q光纤激光器的基本结构如图1所示。其中前腔镜对脉冲激光起输出耦合作用,后腔镜提供高反馈。

影响调Q光纤激光器性能的重要因素分析

图1 调Q光纤激光器基本结构

  调Q光纤激光器因为增益光纤芯径小,故在高功率泵浦时纤芯中将产生放大的自发辐射(ASE),考虑泵浦吸收还未达到饱和且未产生ASE(小信号情况),用一个二能级系统的模型取代实际的激光 三能级和四能级系统,由J.J.Degnan 关于调Q激光器的理论得到调Q激光振荡的速率方程:

影响调Q光纤激光器性能的重要因素分析

  式中:Δn是反转粒子数密度,Φ是腔内光子数密度, σes是激光发射截面,γ是反转减少因子,四能级系统中为1,没有简并的三能级系统为2,Δnt是阈值反转粒子数密度,l是增益光纤长度,R是输出耦合腔镜的反射率,L是腔内往返损耗,тr是激光在腔内往 返一次所需时间,тc是腔内光子寿命,c是真空中光速。

  其中,l‘是谐振腔长度,n’是增益光纤纤芯折射率。 将式(4)、(5)带入式(2)并除以式(1)后,将式(3)带入得腔内光子数Φ对n的微分方程。由于调Q脉冲峰值是在Δnt时刻产生,此时腔内光子数达最大Φm,故对此微分方程积分得到

影响调Q光纤激光器性能的重要因素分析

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