陶蒙蒙， 沈炎龍，吳 勇，王振寶，馮國斌

(西北核技術(shù)研究所,西安710024； 激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室,西安710024)

摻銩光纖可飽和吸收特性模擬與分析

陶蒙蒙， 沈炎龍，吳 勇，王振寶，馮國斌

(西北核技術(shù)研究所,西安710024； 激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室,西安710024)

對摻銩光纖在1 550 nm波段的可飽和吸收特性進(jìn)行了理論模擬。通過對鉺離子和銩離子與飽和吸收特性相關(guān)的能級躍遷過程的研究，描述了銩離子的3H6→3F4能級躍遷的被動調(diào)Q機理。在100 mW， 980 nm激光器泵浦下，摻鉺光纖激光器被動調(diào)Q重頻為26.9 kHz，表明使用摻銩光纖作為可飽和吸收體，可以實現(xiàn)對摻鉺光纖激光器的高重頻調(diào)Q。

摻鉺光纖激光器；被動調(diào)Q；摻銩光纖；可飽和吸收

多年來，摻銩光纖的研究工作主要集中在S波段的光通信信號放大和高功率光纖激光器領(lǐng)域。S波段的信號放大是通過銩離子的3H4→3F4能級躍遷來實現(xiàn)[1]，實驗中可以獲得大于10 dB的增益信號[2]。銩離子的3F4→3H6能級躍遷主要用于實現(xiàn)2 μm信號的輸出和放大[3-5]。目前，該波段的最高輸出功率已經(jīng)超過了1 kW[6]。這兩種應(yīng)用主要利用了摻銩光纖的光譜發(fā)射特性。

近年來，基于摻銩光纖吸收譜的一些應(yīng)用也逐漸得到關(guān)注。2003年，Adel等首次報道了在摻鐿光纖中進(jìn)行銩離子共摻，利用銩離子在1 μm波段的吸收特性實現(xiàn)摻鐿光纖激光器被動調(diào)Q[7]。諧振腔內(nèi)，銩離子3F4能級吸收鐿離子發(fā)射的1 μm信號，躍遷到3F2,3能級。這樣就在諧振腔內(nèi)引入了對1 μm激光信號的損耗。同時，3F2,3能級粒子又經(jīng)多次躍遷，回到3F4能級。由于該過程較快(約15 μs)，因此獲得了高達(dá)140 kHz的重頻輸出。2010年，Tsai等人首次提出并實驗驗證了利用摻銩光纖在1 550 nm波段的吸收譜可實現(xiàn)摻鉺光纖激光器的被動調(diào)Q[8]。同年， Kurkov研究組利用一段僅有6 cm長的摻銩光纖實現(xiàn)了對雙包層摻鉺光纖激光器的調(diào)Q[9]。在摻鉺光纖激光器的被動調(diào)Q中，主要涉及銩離子的3H6→3F4能級躍遷。但是，由于3F4能級壽命較長(約334 μs)，不同實驗中獲得的最高重頻分別為2 kHz[9]和6 kHz[8]。

本文建立了一個基于速率方程的摻銩光纖可飽和吸收特性理論模型。對摻鉺光纖激光器中摻銩光纖的被動調(diào)Q機理進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，銩離子的3H6→3F4能級躍遷也能獲得較高的調(diào)制重頻。

1 理論模型

圖1為一個線型腔結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖激光器，腔內(nèi)加入了一段摻銩光纖作為可飽和吸收體。980 nm泵浦源由諧振腔高反鏡(HR)端直接耦合到諧振腔內(nèi)，激光器脈沖通過部分反射鏡(PR)輸出。

圖1 調(diào)Q系統(tǒng)光路圖Fig.1Schematic of the passively Q-switched system

鉺離子和銩離子的簡化能級結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉺離子和銩離子簡化能級結(jié)構(gòu)圖Fig.2Simplified energy levels and related energy transitions of Er3+ and Tm3+

由于鉺離子中4I11/2能級壽命遠(yuǎn)小于4I13/2能級壽命，所以4I11/2能級粒子數(shù)N3可以忽略不計[10]。這樣，該激光器系統(tǒng)的速率方程為

(1)

式中，φ為腔內(nèi)的光子數(shù)密度；c為真空中的光速；NEr和NTm分別為鉺離子和銩離子的總粒子數(shù)密度。N2和N5為4I13/2能級和3F4能級的粒子數(shù)；σes和σas分別為摻鉺光纖在1 550 nm處的發(fā)射和吸收截面；σes_sa和σas_sa分別為摻銩光纖在1 550 nm處的吸收和發(fā)射截面；δ為諧振腔的本征損耗；β為自發(fā)輻射系數(shù);R1和R2分別為諧振腔高反鏡和部分反射鏡的反射率 ;Wp為泵浦速率，其與泵浦功率P的關(guān)系為

(2)

其中，λp為泵浦光波長，λp=980 nm；σap為摻鉺光纖在980 nm處的吸收截面；A為摻鉺光纖的有效摻雜面積；h為普朗克常量。

τ2和τ5分別為4I13/2和3F4的能級壽命。τr為諧振腔的往返時間，其定義為

(3)

其中，l、lsa和lp分別為腔內(nèi)摻鉺光纖、摻銩光纖和非摻雜光纖的長度。

2 模擬結(jié)果和分析

數(shù)值模擬中所使用的物理參數(shù)如表1所列[3, 11-14]。

表1理論模擬中所用參數(shù)及數(shù)值Tab.1 Parameters used in the simulation

100 mW泵浦下相關(guān)能級的粒子數(shù)時間演化及激光脈沖的產(chǎn)生過程，如圖3所示?？梢钥吹?，開始時，4I13/2能級粒子數(shù)逐漸增加，并通過4I13/2→4I15/2能級躍遷，在腔內(nèi)產(chǎn)生1 550 nm激光信號。部分激光信號被銩離子3H6能級吸收，這樣，一方面在腔內(nèi)引入了對信號光的損耗，使得激光器低于閾值；另一方面，也使得3F4能級粒子數(shù)增加。當(dāng)3F4能級粒子數(shù)達(dá)到一定水平后，3H6能級的吸收能力達(dá)到飽和，由此引入的腔內(nèi)損耗也就消失。在980 nm持續(xù)泵浦下，激光器達(dá)到閾值，從而產(chǎn)生一個1 550 nm的激光脈沖。同時，3F4能級的衰減速率超過3H6能級的吸收速率，3F4能級粒子數(shù)開始減少。當(dāng)粒子數(shù)減少到一定水平后，3H6能級的吸收又占據(jù)主導(dǎo)地位，直到3F4能級粒子數(shù)再次達(dá)到飽和。如此循環(huán)往復(fù)，就可以得到一系列脈沖輸出。

從圖3(b)可以看出，3F4能級粒子數(shù)達(dá)到飽和所需的時間遠(yuǎn)小于粒子數(shù)衰減的時間，表明脈沖重頻主要受到3F4能級壽命的限制。

(b)Normalized population of the 3F4 energy level

(c)Normalized lasing intensity 圖3100 mW泵浦下4I13/2能級和3F4能級的時間演化以及激光脈沖的產(chǎn)生Fig.3Temporal evolution of the 4I13/2 and 3F4 energy levels and the formation of a laser pulse

典型脈沖輸出如圖4所示。圖4(a)為穩(wěn)定的脈沖輸出序列，脈沖重頻為26.9 kHz，表明利用銩離子的3H6→3F4能級躍遷能獲得較高的重頻輸出。圖4(b)中為單個脈沖輸出，脈沖寬度為399.1 ns。需要指出的是，圖4(b)中的單個脈沖輪廓是由79個單脈沖疊加形成的。由此可見，模擬獲得的激光脈沖在脈沖寬度和脈沖強度上都具有很好的一致性。

圖5中所示為激光強度與摻銩光纖吸收能力的時間演化圖。摻銩光纖的調(diào)制深度約為32.9%。正是這32.9%的損耗調(diào)制誘導(dǎo)了摻鉺光纖激光器的被動調(diào)Q。

(a)Laser pulse train

(b)a single laser pulse 圖4100 mW泵浦功率下的典型脈沖輸出Fig.4Typical pulse output with 100 mW pump power

圖5 激光強度與摻銩光纖吸收能力時間演化圖Fig.5Temporal evolution of the lasing intensity correlated absorption ability of the Tm-doped fiber

3 結(jié)論

對摻銩光纖在1 550 nm波段的可飽和吸收特性進(jìn)行了理論模擬。描述了基于銩離子的3H6→3F4能級躍遷的被動調(diào)Q過程。模擬結(jié)果表明，利用銩離子中3H6→3F4能級躍遷可獲得較高的調(diào)制重頻，重頻的繼續(xù)提升受限于3F4能級壽命；摻銩光纖作為可飽和吸收體可以實現(xiàn)對摻鉺光纖激光器的穩(wěn)定被動調(diào)Q，而且脈沖具有很好的一致性。由于摻銩光纖的吸收譜覆蓋了摻鉺光纖在1 550 nm波段的整個發(fā)射譜，所以，利用摻銩光纖有望實現(xiàn)對摻鉺光纖激光器的全發(fā)射譜被動調(diào)Q。

[1]KASAMATSU T, YANO Y, ONO T. Laser-diode-pumped highly efficient gain-shifted thulium-doped fiber amplifier operating in the 1 480-1 510 nm band[J]. IEEE Photonics Technol Lett, 2001, 13(5): 433-435.

[2]WATEKAR P R， JU S, HAN W. Experimental realization of silica-glass Tm-doped fiber amplifier with 11.3-dB gain[J]. IEEE Photonics Technol Lett, 2007, 19(19): 1 478-1 480.

[3]JACKSON S D， KING T A. Theoretical modeling of Tm-doped silica fiber lasers[J]. J Lightwave Technol, 1999, 17(5): 948-956.

[4]陶蒙蒙, 楊鵬翎， 黃啟杰, 等. 不同腔結(jié)構(gòu)摻銩光纖激光輸出性能的實驗研究[J]. 現(xiàn)代應(yīng)用物理, 2013, 4(1): 1-4. (TAO Meng-meng, YANG Peng-ling, HUANG Qi-jie, et al. Experimental investigation of the output characteristics of Tm-doped fiber lasers with different laser cavities[J]. Modern Applied Physics, 2013, 4(1): 1-4.)

[5]陶蒙蒙, 閆燕, 王飛, 等. 基于銩鈥共摻光纖的增益開關(guān)2 μm激光放大[J]. 現(xiàn)代應(yīng)用物理, 2014, 5(2): 126-129. (TAO Meng-meng, YAN Yan, WANG Fei, et al. A Tm-Ho codoped fiber based all fiber amplification of a gain-switched 2 μm fiber laser[J]. Modern Applied Physics, 2014, 5(2): 126-129.)

[6]EHRENREICH T R, LEVEILLE I, MAJID K. et al. 1 kW, all-glass Tm: fiber laser[C]//Proc of SPIE, 2010, 7580: 112.

[7]ADEL P, AUERBACH M, FALLNICH C, et al. PassiveQ-switching by Tm3+co-doping of a Yb3+-fiber laser[J]. Opt Express, 2003, 11(21)： 2 730-2 735.

[8]TSAI T Y, FANG Y C, HUANG S H. PassivelyQ-switched erbium all-fiber lasers by use of thulium-doped saturable-absorber fibers[J]. Opt Express, 2010, 18(10): 10 049-10 054.

[9] KURKOV A S, SADOVNIKOVA Y E, MARAKULIN A V, et al. All fiber Er-TmQ-switched laser[J]. Laser Phys Lett, 2010，7(11): 795-797.

[10] BARRET P H, PALMER M. High-Power and Femtosecond Lasers: Properties, Materials and Applications[M]. New York: Nova Science Publishers, 2009.

[11] PREDA C E, RAVET G, MEGRET P. Experimental demonstration of a passive all-fiberQ-switched erbium-and samarium-doped laser[J]. Opt Lett, 2012, 37(4): 629-631.

[12] LI J, DUAN K, WANG Y, et al. Modeling and effects of ion pairs in high-concentration erbium-doped fiber lasers[J]. J Mod Optic, 2008, 55(3): 447-458.

[13] TAO M, YE X, WANG P. A Tm-Ho codoped fiber based 38 nm wideband wavelength tunable passivelyQ-switched Er-doped fiber laser[J]. Laser Phys, 2013, 23(10): 5 378-6 381.

[14] AGGER S D, POVLSEN J H. Emission and absorption cross section of thulium doped silica fibers[J]. Opt Express, 2006, 14(1): 50-57.

Theoretical Modeling and Analysis of the Saturable Absorption Characteristics of Tm-doped Fiber

TAO Meng-meng,SHEN Yan-long,WU Yong,WANG Zhen-bao,FENG Guo-bin

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Xi’an710024,China)

A theoretical model concerning the saturable absorption characteristics of Tm-doped fiber at 1 550 nm is presented. Investigations on the related energy transition processes are conducted,and the passivelyQ-switched mechanism related to the3H6→3F4energy transition process is described. Numerical results show that, with 100 mW 980 nm laser pumped, the Er-doped fiber laser can operate at repetition rate of 26.9 kHz, indicating that high repetition rateQ-switched operation of Er-doped fiber lasers will achieve with Tm-doped fiber saturable absorber.

Er-doped fiber laser;passivelyQ-switched;Tm-doped fiber;saturable absorption

2016-06-28；

2016-08-30

陶蒙蒙(1989- )，男，河南周口人，助理研究員，博士研究生，主要從事光纖激光技術(shù)研究。

E-mail:taomengmeng@nint.ac.cn

TN248.1

A

2095-6223(2016)040301(4)