影響調Q光纖雷射器性能的重要因素

2020-12-22 OFweek光通訊網

作者：黃琳、劉永智

　　20世紀80年代後期出現的包層泵浦技術，通過光纖內包層耦合泵浦能量大大提高了光纖雷射器入纖泵浦能量和輸出雷射能量。目前，連續雷射輸出功率已高達10kW。但是許多應用領域需要脈衝雷射，採用調Q技術可以實現短脈衝雷射的輸出。這種短脈衝雷射在測距、OTDR、通信系統、遠程傳感、高速全息照相、軍事、醫療等方面被廣泛應用。普通固體調Q雷射器的研究已經逐步成熟，但其體積大，輸出能量較低。為了得到高單脈衝能量雷射，人們把目光轉向對光纖雷射器調Q。2001年，C. C.Renaud等用低數值孔徑大模場光纖（LMA）作 增益介質，採用聲光調製器（AOM）調Q獲得2.3mJ 的單脈衝輸出能量；2002年R.Selvas等報導採用 摻鐿光纖作增益介質以及AOM調Q在980nm處獲得脈寬小於20ns、 能量1.2μJ的脈衝雷射；2004年P.D.Dragic採用受激布裡淵散射和AOM共同調Q產生重複頻率500Hz、1.2μJ單脈衝能量的脈衝輸出。本文從理論上分析了提高調Q光纖雷射器輸出脈衝能量應考慮的因素。

　　1、理論分析

　　調Q光纖雷射器的基本結構如圖1所示。其中前腔鏡對脈衝雷射起輸出耦合作用，後腔鏡提供高反饋。

圖1 調Q光纖雷射器基本結構

　　調Q光纖雷射器因為增益光纖芯徑小，故在高功率泵浦時纖芯中將產生放大的自發輻射（ASE），考慮泵浦吸收還未達到飽和且未產生ASE（小信號情況），用一個二能級系統的模型取代實際的雷射 三能級和四能級系統，由J.J.Degnan 關於調Q雷射器的理論得到調Q雷射振蕩的速率方程：

　　式中：Δn是反轉粒子數密度，Φ是腔內光子數密度， σes是雷射發射截面，γ是反轉減少因子，四能級系統中為1，沒有簡併的三能級系統為2，Δnt是閾值反轉粒子數密度，l是增益光纖長度，R是輸出耦合腔鏡的反射率，L是腔內往返損耗，тr是雷射在腔內往 返一次所需時間，тc是腔內光子壽命，c是真空中光速。

　　其中，l‘是諧振腔長度，n’是增益光纖纖芯折射率。 將式（4）、（5）帶入式（2）並除以式（1）後，將式（3）帶入得腔內光子數Φ對n的微分方程。由於調Q脈衝峰值是在Δnt時刻產生，此時腔內光子數達最大Φm，故對此微分方程積分得到

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