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体积 2021 |文章的ID 5514089 | https://doi.org/10.1155/2021/5514089

王思佳,秦鹏,王慧斌 泵浦波长优化提高飞秒光纤放大器性能",国际光学杂志 卷。2021 文章的ID5514089 7 页面 2021 https://doi.org/10.1155/2021/5514089

泵浦波长优化提高飞秒光纤放大器性能

学术编辑器:全生
收到了 2021年2月2日
修改后的 2021年2月20日
接受 2021年2月26日
发表 2021年3月11日

摘要

本文提出了一种基于泵浦波长优化的自由运行飞秒光纤放大器加速自相似脉冲演化和降低强度噪声的有效方案。实验和仿真结果表明,脉冲自相似放大对种子信号功率和泵浦波长波动的容忍度有所提高,最佳泵浦波长为915 nm。压缩脉冲质量增加了20%,放大器均方根(RMS)相对强度噪声(RIN) (1.5 kHz至5 MHz)减少了31%,即使泵浦激光二极管(LD) RIN比976 nm高4倍以上。使用~ 0.03%的放大器RMS RIN产生~ 50fs的变换限制脉冲。该方案降低了低噪声自相似飞秒光纤放大器对种子振荡器功率稳定性和泵浦LD热控制的要求,为飞秒激光在空间的各种卫星高精度应用提供了广阔的前景。

1.简介

高质量飞秒激光脉冲具有高功率、短持续时间、低噪声等特点,在光学频率梳、相干脉冲合成、高次谐波产生、航天器组网、编队飞行等前沿科学和空间技术中具有重要应用[1- - - - - -3.].掺镱(Yb)光纤自相似放大器在产生高质量飞秒激光脉冲方面具有显著优势[4- - - - - -8].然而,目前飞秒光纤放大器的性能受到了有限增益带宽的影响[9],泵浦激光二极管(LD)波动产生的噪声放大[10]、受激拉曼散射(SRS)和放大自发辐射(ASE)扰动。非线性飞秒放大,特别是抛物线自相似演化,在高功率和短持续时间方面取得了许多进展。然而,目前在降低高增益非线性飞秒光纤放大器中产生的过大噪声方面还缺乏努力。

本文提出了一种通过优化泵浦波长实现高质量飞秒激光脉冲自相似放大的新方法。在高增益短光纤放大器中,自相似脉冲演化速度加快,噪声强度降低。通过在976 nm和915 nm泵浦波长下的系统实验和数值模拟,探讨了抛物自相似放大动力学和噪声抑制机理。结果表明,由于在915 nm附近有较宽较平坦的吸收截面,可以有效抑制种子功率噪声和激光器泵浦波长波动对脉冲放大和强度噪声性能的影响。在相同的放大增益为20 dB的情况下,915 nm的最佳泵浦波长可以使压缩脉冲质量提高约20%,即使泵浦LD RIN提高了4倍以上,但从1.5 kHz到5 MHz集成的均方根(RMS)相对强度噪声(RIN)降低约31%。必威2490采用这种方法,压缩后产生的变压器极限(TL)脉冲为~ 50 fs,放大器的RMS RIN为~ 0.03%。据我们所知,泵浦波长已被优化,以提高脉冲自相似放大对输入信号功率和泵浦波动的容忍度。本研究提供了一种产生高质量无基座飞秒脉冲的简单方法,从而证明了与高光学相干性和高信噪比相关的前沿科学应用的潜力。特别是,该方案降低了低噪声自相似飞秒光纤放大器对振荡器种子功率稳定性的要求,降低了对泵浦LD稳定性的热控制要求,有利于飞秒激光系统在各种卫星上的高精度应用。

2.实验设置与结果

实验光纤放大系统原理图如图所示1.它主要由1040nm超短脉冲种子源、双包层(DC)大模区(LMA)光纤放大器和光栅对压缩器组成。种子源由自制的拉伸脉冲锁模Yb光纤激光器、衍射光栅对和600线/mm衍射光栅对以及一段单模光纤(SMF)组成。锁模激光振荡器的输出重复频率为74 MHz,平均功率为80 mW。光栅对以双通道方式工作,以广泛地调整振子发出的脉冲的啁啾和持续时间。得益于此,SMF中自相位调制(SPM)和群速度色散(GVD)之间的相互作用被优化,从而在放大器之前形成脉冲的时间和频谱。在这个阶段,负啁啾脉冲的频谱可以通过与SPM的相互作用而变窄和平滑,时间持续时间也可以通过正GVD压缩[1112].放大器由端面泵浦2米直流Yb光纤和20μm核心。放大器的信号端在非线性脉冲预预器中拼接到SMF尾端(融合损耗为1%)。放大器的泵浦端连接到合成器上。在976 nm和915 nm时,二极管的最大输出功率均为20W。压缩机由Littrow双通道600线/mm光栅对进行,以确保75%的传输。

采用高分辨率光谱仪监测和记录每个阶段的脉冲频谱。利用自相关器(AC)对脉冲的时域特性进行了测量和分析。自相似放大脉冲的典型测量特征是由标准光栅对产生的高对比度小底座压缩交流道[1314].RIN是指光强归一化到其平均值的噪声,可以用功率谱密度(power spectral density, PSD)进行统计表征。本文中RIN测量的特点是采用标准方法[15].计算RIN的均方根值进行定量比较。采用高速光电探测器和10mhz低通滤波器对放大后的激光信号进行检测。为了保证采样精度,低频(<100 kHz) RIN频谱由快速傅立叶变换分析仪测量,高频(>100 kHz)频谱由射频频谱分析仪测量。

首先,采用976 nm LD作为泵浦源进行实验。泵功率调整为放大增益约20 dB。必威2490对应的放大脉冲谱和压缩交流迹线如图中蓝色实线所示2(一个)而且2 (b).然后,采用915 nm LD作为泵浦源。实验在相同的初始条件下进行,除了提高泵功率,以确保相同的20 dB增益。图中绿色实心曲线显示了实测的放大脉冲频谱和压缩交流迹线2(一个)而且2 (b).对比结果表明,适当的泵浦波长为915 nm,可保证压缩后的放大频谱更平滑,脉冲基更小,表明自相似放大更充分。在此基础上,利用PICASO (correlation and spectrum only)算法,通过相位和强度对976 nm和915 nm泵浦波长的压缩脉冲进行检索[16]数字2 (c)而且2 (d),分别。并以平坦相为假设条件,利用实测光谱计算了相应的TL分布。PICASO得到的脉冲与TL剖面之间的偏移反映了啁啾线性。显然,在915 nm的情况下,FWHM压缩脉冲持续时间稍宽(约52 fs),但与TL质量的偏差要小得多。

为了量化从TL质量的偏差,从而向自相似放大的演变,定义为压缩脉冲与TL脉冲之间的相对峰值功率的Strehl比被使用并由 为picaso检索压缩脉冲的归一化时间包络。 为实测频谱零相位傅里叶变换得到的TL脉冲。Strehl比最大值为1时TL质量最佳,符合理想抛物线放大的特征。根据数字2 (c)而且2 (d),对于976 nm和915 nm泵浦波长,计算得到的Strehl比分别为0.87和0.93。加入最佳的915 nm泵浦波长可提高Strehl比,从而使脉冲质量提高约20%。必威2490我们将这些结果主要归因于Yb光纤在这两个泵浦波长周围的不同吸收水平。为了获得相同的放大增益,由于吸收截面要小得多,915 nm所需的输入泵浦功率要比976 nm高得多。因此,增益沿放大器的分布是不同的。在915 nm处后泵浦放大器的前部分获得较高的增益,可以获得较高的脉冲峰值功率,从而更快地收敛到自相似区。

然后,我们研究了飞秒光纤放大器在976 nm和915 nm泵浦波长下的噪声性能。图中比较了测量到的放大器RIN频谱3..在高频区,976 nm(蓝色实线)处的放大器RIN水平明显高于915 nm(绿色实线)。图的底部3.所示为集成放大器RMS RIN。频率范围从1.5 kHz到5 MHz的值对于976 nm和915 nm泵浦波长分别为0.042%和0.029%。事实上,加入最佳的915 nm泵浦波长可使976 nm的RIN值降低约31%。

为了进一步证实泵浦波长优化对放大器噪声抑制的好处,在图的插图中测量并比较了两种泵浦ld对应的RIN3..结果表明,915 nm LD(红色实相曲线)的RMS RIN比976 nm LD(灰色实相曲线)的RMS RIN高4倍以上。如图所示,915 nm泵浦LD较高的RIN水平确实导致放大器在低频区域(<1.5 kHz)的RIN水平较高3.而对于高频区域,泵浦LD的强度噪声对放大器RIN性能几乎没有影响。在915 nm泵浦条件下,较低的放大器RIN可以部分归因于泵浦LD波长波动的耐磨性增强,这是由于在915 nm附近吸收截面更宽更平坦。相应的低增益波动沿放大器可以保证更小的噪声累积从放大信号和ASE噪声。另一方面,由915 nm LD泵浦的放大器前部分具有较高的脉冲峰值功率,可以减小种子信号功率噪声对脉冲放大的影响。此外,在这种情况下,由于固有的稳定性,有效的自相似脉冲演化也归因于噪声性能。

3.数值模拟

接下来,我们将进行数值模拟,以可视化放大器内部的脉冲演化,以深入了解有效的自相似脉冲演化和RIN降低机制。我们建立了一个后向包层泵浦非线性掺镱光纤放大器的频率解析数值模型。稳态两级速率和功率传播方程包括ASE被用来描述波长相关的增益剖面。利用非线性Schrödinger方程(NLSE)对带有SPM和GVD的放大脉冲演化进行了模拟。方程(1) - (6)为假设无激发态吸收和无背景损失的cw泵浦的齐次扩宽传播方程:

在这里, 而且 分别是沿光纤的激光地态和上层态的种群命运。 而且 分别为泵浦、信号和ASE(正向和反向传播)的平均功率。计算光谱范围划分为通道,每个通道以波长为中心 而且 权力在哪里kth通道。随着纤维的长度 将其划分为段,计算出每个频谱通道的功率放大后 -这是脉冲时域包络 是从信号脉冲谱中重新得到的功率分布 通过 在哪里 而且 是脉冲的相位。结果表明,在SPM和GVD条件下,脉冲演化被描述为

这样,脉冲非线性放大沿增益光纤的模拟如下:1)到(9).采用四阶龙格-库塔公式求解方程(1)到(6),它们是耦合的位置线性微分方程z.而分步傅里叶算法是求解NLSE(9)的常用方法。通过迭代过程,(1)到(9)可以计算。根据增益光纤输出端初始泵浦功率和输入端信号脉冲频谱功率分布设定相应的边界条件。发射截面 吸收截面 Yb纤维的大部分来源于[17].根据实验对模型参数进行了设置。测得的种子脉冲见图4用作输入信号。数字4为经过光栅预啁啾(黑色实心曲线)和经过SMF(红色实心曲线)后的picaso重构脉冲。非线性预成形后的啁啾(蓝色虚线)几乎为零。为了定量估计自相似抛物线脉冲演化的效率,采用失配参数 计算是为了表示脉冲之间的强度剖面差异 一个抛物线 具有相同的脉冲能量和峰值功率。一个更小的对应于一个较好的抛物线拟合,完全抛物线脉冲形成可以确定的典型情况下0.04∼。

在两个泵浦波长下进行模拟,并仔细调整输入泵浦功率以获得相同的20 dB放大增益。数字4显示了失配参数的模拟脉冲演化沿光纤放大器,相对于泵浦波长976 nm(蓝色实线)和915 nm(绿色实线)。很明显,915 nm泵浦波长确实导致了失配参数的快速下降沿着光纤放大器,在输出端的976 nm情况下,其值降低了约30%。数字4(d)显示了脉冲峰值功率的演变,如实验部分所讨论的,在915 nm处泵浦确实保证了沿大部分光纤放大器的更高脉冲峰值功率。由于吸收截面的波长依赖性,即使在相同的放大增益下,沿976 nm和915 nm泵浦光纤的增益分布也是不同的。在915 nm附近较低的吸收和后向泵浦结构导致沿光纤前部分的更高增益。这反过来又会导致更高的脉冲峰值功率,这有利于更快的抛物线自相似演化,如图所示4

最后,对信号脉冲功率和泵浦波长分别引入了不同的RMS初始相对波动(IRF),仿真结果分别为泵浦波长976 nm和915 nm。图中计算并比较了放大器信号功率的RMS输出相对波动(ORF)的相应演变5.与信号功率的RMS IRF(图5(一个))从0.1%到1%变化,信号功率的ORF对于两个泵浦波长几乎都是单调增加的。但是,它们的ORF增量是不同的。在915 nm泵浦波长(绿色)的所有信号功率IRF中,信号功率ORF的增长速度较慢,且值较小。如前所述,这种增强的种子信号噪声容忍度是放大过程中更高的脉冲峰值功率和自相似脉冲演化的固有稳定性的结果。而在不同泵浦波长的情况下,IRF(图5 (b))时,两个泵浦波长的信号功率ORF演化明显不同。对于976 nm泵浦波长(蓝色),随着泵浦波长IRF的增加,信号功率ORF显著增加,而对于915 nm泵浦波长(绿色),由于吸收截面剖面比976 nm宽得多、平坦得多,信号功率ORF的增加相对温和。特别是,由915 nm左右的泵浦波长波动引起的信号功率ORF可以比976 nm情况下的值小30倍以上。此外,图5显示两种泵浦条件下的信号功率ORF差异随着信号功率IRF和泵浦波长的增加而增加。上述结果可以看作是我们的实验演示的数值验证,通过泵浦波长优化,我们可以实现更快的脉冲自相似演化,以及更好的放大器强度噪声性能。在这种情况下,明显较高的峰值功率可以加速自相似脉冲的进化,并降低进化对种子信号功率的敏感性。同时,在915 nm附近更宽更平坦的吸收截面剖面可以增强脉冲演化对泵浦波长波动的耐受能力。因此,得益于最佳的915 nm泵浦波长,有效的自相似脉冲演化以及减少种子信号功率和泵浦波长波动的影响,显然可以实现低噪声操作。

4.结论

我们已经演示了一个简单的无源方案,以产生飞秒脉冲与超短的无基座持续时间和低强度的噪声从短长度光纤放大器。它是基于有效的自相似脉冲演化和放大器RIN降低使泵浦波长优化。结果表明,在相同的20 dB放大增益下,最优的915 nm泵浦波长不仅能加速自相似演化,而且能增强对种子信号功率和泵浦波长波动的容忍度,压缩脉冲质量提高~ 20%,RMS RIN (1.5 kHz ~ 5 MHz)降低~ 31%。在RMS为0.03%的RIN条件下产生了~ 50fs的变换限制脉冲。据我们所知,第一次对泵浦波长进行了实验和数值优化,以提高脉冲自相似放大对种子信号功率和泵浦波长波动的容差。特别是,该方案降低了低噪声自相似飞秒光纤放大器对振荡器种子脉冲功率稳定性和泵浦LD热控制的要求,为飞秒激光器的各种天基高精度应用提供了广阔的前景。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包含在文章中。

信息披露

本文中描述的部分研究在2017年的环太平洋激光和光电会议(CLEO-PR)上发表。

利益冲突

作者声明,本文的发表不存在任何利益冲突。

致谢

本工作由中国国家科技创新特区计划、中国空间技术研究院自主创新项目、中国航天科技集团科技创新研发项目资助。

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