高功率掺铥光纤激光器通常用790nm左右的光源泵浦，这种泵浦方案所需的泵浦二极管激光器容易获得，且能够借助交叉弛豫（CR）过程提升激光器的效率。不过，百瓦级掺铥光纤在790nm左右泵浦时的效率不会超过60％，这使得热负荷较大，不利于功率提升。此外，高热负荷最终会导致模式不稳定，使得非线性相移增加。减轻热效应的一种策略是增加泵浦波长，即采用带内泵浦方案。
本期介绍的论文来自德国耶拿课题组的工作，主要研究了泵浦波长对大模场面积、高功率掺铥光纤放大器的影响［1］。
为了确定最佳泵浦波长，作者首先借助CR与铥离子各能级粒子数密度的关系，指出不能仅仅利用CR过程提升斜率效率。获得更高效率的一种方法是增加泵浦波长，也即利用带内泵浦方案（1550～1910nm）。此外，为了产生高能量脉冲，在选择泵浦波长时还应考虑光纤放大器的最大存储能量。为实现高储能和高斜率效率之间的平衡，泵浦波长应在1550nm到1700nm之间。同时，要使吸收截面不至于过小，需将泵浦波长范围缩减到1600nm到1700nm之间。最终，作者决定使用1692nm的带内泵浦波长。
在放大实验中，作者使用了793nm、300W和1692nm、120W两种不同的泵浦源。此外，还使用掺铥光子晶体光纤和掺铥棒状光纤这两种放大器实现高平均功率，实验装置如图1所示。其中，信号输入侧（DM2处）和信号输出侧（DM1处）的两个二向色镜用于分离泵浦光和信号光。PM2为热功率传感器，用来测量残余泵浦光功率，以确定被吸收的泵浦光功率。楔形熔融石英板（wedge）将光束分离，以便观测路径中的光束形状。
图1 实验装置示意图（PCF：光子晶体光纤；LPF：棒状光纤）［1］
图2为光子晶体光纤实验的结果。由图2 a）和图2 b）可以明显看出，在输出功率最大时（58W），泵浦波长对输出信号频谱和光束轮廓没有明显影响。由图2 c）可知，1692nm泵浦方案的斜率效率为80％，明显高于793nm泵浦方案（47％）。图2 c）中模拟数据和实验数据具有良好的一致性，因此可以通过模拟作进一步分析。
图2 光子晶体光纤实验的结果［1］
图3为光子晶体光纤中CR率和热负荷（纤芯温度）沿光纤变化的模拟结果。如图3 a）和图3 b），对于793nm泵浦，CR率为正值；而对于1692nm泵浦，CR率为负值。结合泵浦光和信号光强度沿光纤的变化情况，可知图3 a）和图3 b）证实了CR过程与泵浦光和信号光强度的关系。如图3 c），两种泵浦方案的最大热负荷差为52W／m，最大纤芯温差为25K，在降低热负荷方面，1692nm泵浦方案更具优势。
图3 a）和b）：CR率在不同吸收泵浦功率下沿光纤变化；c）：热负荷和纤芯温度沿光纤变化［1］
换用大模场面积棒状光纤进行实验，在1692nm泵浦时，可以达到67W的平均功率，斜率效率为74％，而在793nm泵浦时，斜率效率仅为38％。模拟热负荷和纤芯温度沿光纤变化，不同泵浦方案的最大热负荷差为68W／m，最大纤芯温差为31K。在降低热负荷方面，同样是1692nm泵浦方案更有优势。
总之，相较于793nm泵浦，1692nm带内泵浦对于高功率掺铥光纤放大器来说具有效率高、热负荷小的亮点，这有利于绕过目前使用793nm泵浦方案时遇到的障碍，因此有望大幅度提高2?m飞秒光纤激光的平均功率。
参考文献：
［1］ M． Lenski et al．， “Inband－pumped， high－power thulium－doped fiber amplifiers for an ultrafast pulsed operation，” Opt． Express， vol． 30， no． 24， p． 44270， Nov． 2022， doi： 10．1364／OE．476160．
原文标题 : 超快光纤激光技术之三十 带内泵浦的高功率掺铥光纤放大器
