摘要：脉冲光纤激光器系统产生的放大自发辐射(ASE)是制约其峰值功率的重要因素，而脉冲泵浦是抑制脉冲光纤激光器脉冲自发辐射的有效方法。文章对掺镱双包层光纤放大器的脉冲泵浦特性进行了研究，设计了一种由信号源、隔离器、放大级和滤波器组成的实验光路。对于脉冲泵浦，放大器设计中需要确定的最主要因素是泵浦功率和泵浦脉宽，文章研究了单脉冲能量、ASE功率与泵浦功率以及泵浦脉宽之间的关系，所得结论对脉冲泵浦光纤放大器的设计具有一定的参考价值。
关键词：光纤激光器;脉冲泵浦;放大自发辐射功率
0引言
光纤激光器是一种采用掺杂光纤作为增益介质的激光器，泵浦光被限制在波导光纤中，用来泵浦抽运纤芯中的掺杂阳离子，掺杂阳离子因为受激跃迁形成粒子数反转，当信号光经过时产生受激辐射，因此信号光在增益光纤中得到放大[1-4]。高功率掺镱脉冲光纤激光器已被广泛研究，且因其具有众多优点而在工业和军事领域中得到广泛应用[5-7]。然而，脉冲间放大自发辐射(AmplifiedSpontaneousE-mission，ASE)是光纤激光器存在的一个问题，因其消耗了上层能级粒子数，导致最终输出激光的效率较低，并且导致激光腔中的部件发热，进而影响了系统的稳定性，造成了自激，最终导致激光器输出不稳定，并且减小了从激光腔中可获得的最大脉冲能量等[8]。采用脉冲泵浦代替连续泵浦来抑制ASE是研究人员广泛采用的一种方法。例如，2009年黄绣江等人通过脉冲泵浦在100ns脉宽、100Hz重频下抑制ASE，从掺镱双包层光纤放大器获得了30dB增益[9];2014年报道了一种具有55mJ脉冲能量、脉宽为10ns以及脉冲重频为10Hz的光纤激光器，该激光器由7个级联放大光路组成，采用不同泵浦功率和泵浦脉宽的脉冲泵浦[10]。
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许多文献已经报道了脉冲光纤激光器的连续泵浦特性，但对脉冲泵浦特性的研究较少。本文对脉冲光纤激光器进行了脉冲泵浦特性相关的实验研究。研究表明，对于脉冲泵浦，放大器设计中最重要的影响因素是泵浦功率和泵浦脉宽。在此基础上，研究了掺镱光纤放大器(Ytterbium-DopedFiberAmplifier，YDFA)在不同泵浦功率和泵浦脉宽下的ASE、脉冲能量和效率的动态变化，并给出了相应的实验结果。
1脉冲泵浦基本原理
在之前的众多研究中，高峰值功率纳秒级脉冲激光输出因其在军事、医疗和工业等领域的广泛应用而成为一个重要的研究热点。一些光纤激光器在千赫兹到百千赫兹的高重频下使用连续工作的泵浦方式来进行信号光的放大。然而对于某些领域的应用，如测距等，高重频是没有必要的。此外，高重频意味着高泵浦能量的使用，这在军事和便携式应用中也是不被允许的。连续泵浦条件不适合低重频，因为低重频脉冲间的持续时间太长，泵浦光会引起很强的ASE甚至是杂散激光，这将消耗大量的上层能级粒子数并减小有源光纤中存储的能量。而作为光纤激光器中一种主要的影响因子，ASE应尽可能在光纤激光器中得到抑制。对于具有主振荡器功率放大(MasterOscillatorPower-Amplifier，MOPA)结构的光纤放大器，在放大光路前一级中产生的ASE也会在放大光路的下一级中被放大，因此，如果放大光路前一级中的ASE没有被很好地抑制，就会导致最终放大输出端的ASE变得很高[11]。可见，连续泵浦光对于低重频信号的放大来说，并不是一种较为理想的泵浦方式。
可以采用脉冲泵浦的方法来解决对低重频信号光进行放大的问题。让泵浦光抽运与信号光的输入在时序上有一定的相关性，泵浦光抽运只在信号出现前的很短时间内进行，当有泵浦光时，上层能级粒子数被聚集到很高的水平，其随着输入的信号光被受激放大而被快速消耗，信号光的峰值功率将会得到显著提高。同时，因为在脉冲模式下，泵浦光在脉冲之间会被关闭，自发辐射只在非常短的一段时间内得到放大，由于信号光的存在同时会消耗上层能级粒子数，因此避免了很强的ASE。
在脉冲光纤激光器的实验研究中，泵浦功率、泵浦脉冲宽度与信号在时序上的关联性等参数是影响信号增益、ASE大小和泵浦能量利用率的关键因素。本文将从实验研究的角度分析泵浦功率和泵浦脉宽对ASE功率及输出脉冲能量的影响。
2实验方案设计
实验使用的种子光激光器是频率为0.01～1.00MHz的可调激光器，为获取重频为百赫兹以下的种子光脉冲，需要利用声光调制器(Acousto-opti-calModulators，AOM)来降低重频。设置种子光脉冲的频率为10kHz，脉宽为100ns;设置声光脉冲的频率为80Hz，脉宽为100μs。为了使种子光脉冲出现在声光脉冲中部的合适位置，声光开启时间是以探测到种子光脉冲的下降沿延时50μs为开启时间点，这样可以保证声光脉冲处于高电平状态时恰好包含一个种子光的脉冲周期，即声光脉冲的一个周期内包含一个种子光的脉冲信号，如图1所示。但是在实际程序运行过程中会出现机器误差，导致种子光信号并不是任何时刻都在声光脉冲信号的中间位置，为此设置自动检测机制，若检测到种子光脉冲的下降沿不在声光脉冲中间的50%位置，则自动检测机制会将异常反馈给芯片，芯片会做出调整以使种子光脉冲恢复到声光脉冲中间位置，避免机器误差越来越大。
在设置好声光脉冲时序的基础上，设置泵浦脉冲时序，泵浦脉冲频率与声光脉冲频率保持一致。在泵浦激光器开启后，由于受到元器件响应阈值的影响，泵浦脉宽设定值与实际值存在些许误差，为保证信号光到来时泵浦还处于抽运状态，需在泵浦抽运期间检测到信号光时延长一定时间后关闭泵浦，使得上层能级粒子数一直处于较高水平。此时设置好泵浦低电平时间，一个周期内的高电平时间与之相对应。设置完成后的效果是：泵浦会在信号光脉冲到来前开启，在检测到该脉冲到来后延时100μs关闭泵浦，脉冲信号图如图1所示。
3实验结果
YDFA模型如图2所示。放大级中增益光纤为掺镱双包层光纤，泵浦源为多模泵浦。信号源是经过AOM选取后的脉宽为30ns、重频为80Hz、波长为1064nm的脉冲激光源。实验结果表明，在不同泵浦功率水平下，输出单脉冲能量随着泵浦脉冲时长的增加而增加，如图3所示。但由于YDFA中所存储的能量会达到饱和，由提高的泵浦功率来增加最大可获得的最大脉冲能量是不明显的。
由图3可知，达到最大脉冲能量所需时间随着泵浦功率的增加而迅速减小。对于相同掺杂浓度的双包层有源光纤，光纤中的掺杂阳离子吸收泵浦抽运光的速度是会达到饱和的，上层能级反转粒子数存储的能量不会一直增加，最终会饱和，所以泵浦能量过多会形成较高的ASE。如图4所示，在较长的泵浦时间下，泵浦功率越高，ASE功率增加越迅速，这会影响泵浦效率，进而会影响放大所需的上层能级粒子数，从而影响放大器的增益。所以要想更有效地获得更好的增益效果，需要选择合适的泵浦脉宽与泵浦功率。
为了研究种子光脉冲能量对输出能量的影响，对不同脉冲能量的种子光进行了实验研究。在固定泵浦功率与泵浦脉宽的条件下，种子光脉冲能量由0.6μJ增加到1.0μJ;保持种子光脉宽不变，通过提高峰值泵浦功率来增加种子光能量，发现输出脉冲能量基本没有变化;保持峰值泵浦功率不变，通过增加种子光脉宽来增加种子光能量，发现输出脉冲能量有所增加，如图5所示。
4分析
更高的脉冲能量、更高的效率和更低的ASE是高功率YDFA设计的目标，由本文实验结果可知，其与泵浦功率和泵浦持续时间都有直接关系。在保持泵浦脉宽不变的条件下增加泵浦功率可以提高脉冲能量，但是过高的泵浦功率会导致ASE显著增加，当脉冲能量增益趋近饱和时，继续增加泵浦功率会使ASE占据主导地位，此时光纤激光器中可能会出现自激现象，对光纤激光器的稳定性造成影响。在脉冲泵浦过程中，缩短泵浦脉宽可以在一定程度上减小ASE，但是需要更高的泵浦功率。
因ASE是本文的主要关注点，所以本文不考虑非线性效应，如受激布里渊散射、受激拉曼散射和自相位调制等。非线性效应肯定会影响YDFA的性能和实验结果，特别是当峰值功率或脉冲能量较高时，然而，其并不影响泵浦脉宽、脉冲能量和ASE之间的关系。对于YDFA的整体设计，则可能需要考虑非线性效应。
5结束语
脉冲泵浦具有减小ASE光的性能，且由于其平均功率远低于连续泵浦时的平均功率，能够大大减少高功率YDFA在放大过程中的热量。对于脉冲泵浦的设计，泵浦功率和泵浦脉宽是主要影响因子，研究结果对脉冲泵浦高功率YDFA的设计有一定的参考价值。
