股票风险测评 进取型

超快激光:光纖超快激光源的數值模擬輔助設計

時間:2018-11-13 10:05來源:RP光電咨詢公司作者:diger Paschotta博士 點擊:
------分隔線----------------------------

摘要:通過數值模擬設計基于光纖的超快激光源導致原型和產品設計,并證明處理非線性效應。 光纖在激光技術中有著廣泛的應用。在超快激光器領域,光纖作為增益介質具有增益大、增益帶寬大等優點。另一方面,與塊狀激光晶體和玻璃相比,光纖中的非線性和色散效應要強得多。 強非線性效應常常為可達到的性能設定限制。物理細節可能非常復雜,這對設計過程有影響性能潛力通

關鍵字:超快,激光,光纖,激,光源,的,數值,模擬,通過,

通過數值模擬設計基于光纖的超快激光源導致原型和產品設計,并證明處理非線性效應。


光纖在激光技術中有著廣泛的應用。在超快激光器領域,光纖作為增益介質具有增益大、增益帶寬大等優點。另一方面,與塊狀激光晶體和玻璃相比,光纖中的非線性和色散效應要強得多。


強非線性效應常常為可達到的性能設定限制。物理細節可能非常復雜,這對設計過程有影響——性能潛力通常只能基于全面的定量理解來實現。注意,即使對于連續波(CW)器件,光纖激光器和放大器的操作也比體器件的操作更難理解和分析。例如,這是由于強飽和效應、高增益、放大的自發發射以及大多數光纖增益介質的準三能級特性而發生的。

鎖模光纖激光器


雖然原則上人們可以從非常低的能量脈沖開始,然后應用來自光纖放大器的大量增益,但是通常有利的是從較高能量的種子脈沖開始。這主要是因為非常高的放大器增益要求使用多個放大器級和一些中間器件,如濾波器、隔離器或調制器,使得系統更加復雜。此外,噪音問題可能變得更嚴重。


另一個方面是,任何激光器的平均腔內功率應當是增益飽和功率的幾倍,以便操作數倍于激光閾值。這與典型的脈沖重復頻率和脈沖持續時間相結合,導致一個區域具有相當大的峰值功率,從而產生相當大的非線性效應。


孤子鎖模這樣的傳統概念是難以使用的,因為孤子脈沖能量通常很低。現代鎖模光纖激光器往往是基于更復雜的操作原理。通常使用正常色散激光諧振腔,其中強啁啾脈沖循環。內腔脈沖持續時間與強啁啾基本上增加。大量的光帶寬允許人們使用激光諧振腔外的色散壓縮器獲得非常短的脈沖。在每個諧振器往返行程中,由于自相位調制,脈沖帶寬的顯著增加由腔內帶通濾波器補償。這項技術是由Frank Wise和他的研究小組在康奈爾大學(NY Ithaca)開創的。


例如,我們考慮光纖環形激光器,它基本上包括輸出耦合器、帶通濾波器、無源光纖、摻鐿(Yb)光纖、法拉第隔離器和飽和吸收器。當濾波器帶寬逐漸減小時,穩態輸出脈沖的頻譜首先在中間變得越來越平坦。進一步減小帶寬,我們在邊緣附近獲得最大值(見圖1)。


圖1。利用RP Fiber Power軟件對全色散激光諧振腔被動鎖模光纖激光器的穩態輸出脈沖的光譜進行了數值模擬,腔內帶通濾波器的帶寬在3~12nm之間。


奇怪的是,如果濾波器帶寬減小,則輸出帶寬增加,這主要是因為最初窄帶脈沖在光纖中展現較少的時間展寬,因此隨后達到較高的峰值功率。然而,如果我們走得太遠,在我們的例子中,對于最低的濾波器帶寬,激光器接近該穩定極限,并且由于腔內濾波器的損耗,脈沖能量降低。提高泵浦功率具有類似于降低濾波器帶寬的效果,當然除了增加脈沖能量之外。


由于上述不穩定性導致的性能極限取決于各種設計細節(例如,取決于可飽和吸收體的參數),如果不對操作獲得全面的定量理解,就不能適當地加以探討。數值模擬是創建這種理解的唯一實用方法。他們允許人們研究該裝置,例如,探索光纖中脈沖的時間和光譜演變。在購買和組裝所需的光學元件之前,人們可以回答一些重要的問題,例如,需要多少飽和吸收以及什么色散圖是適合的。

高重復率放大器


在有源光纖中強放大超短脈沖似乎很容易,提供高增益,具有可觀的增益帶寬。然而,特別是光纖非線性是一個限制因素。


技術挑戰很大程度上取決于運行機制。我們首先考慮具有幾十或幾百兆赫的高脈沖重復率的超快源。這里,可以直接放大鎖模激光器(它本身可以是光纖激光器,或者在一些情況下是增益開關激光二極管)的輸出,它也可以用來產生皮秒種子脈沖。


作為例子,我們采用前面討論的光纖激光器的輸出脈沖,并在1.25m長的、摻鐿的單模光纖中進一步放大它們,該單模光纖具有5m的芯半徑,反向泵浦,在975nm處800mW。圖2表明,由于自相位調制,我們可以顯著增加脈沖能量,同時獲得顯著增加的脈沖帶寬,而脈沖持續時間僅略有增加。在放大器之后的色散壓縮器可以將脈沖持續時間從大約2 ps減少到290 fs。事實上,由于它們增加的帶寬,所獲得的脈沖比通過直接壓縮激光脈沖(517fs)可能得到的脈沖要短得多。


圖2。單模光纖放大器中的脈沖參數的演變被示為光纖中的位置的函數。


雖然在我們的示例中,放大器的非線性可以被認為是有益的,因為它允許短脈沖或壓縮脈沖,但是當試圖獲得更多的脈沖能量時,可能會遇到限制。一個特別的問題是,當我們需要更多的泵浦功率時,我們需要使用雙包層光纖,并且由于泵浦吸收較弱,該光纖通常必須長得多。然而,纖維非線性的影響隨后變得更強。例如,考慮一個雙包層放大器,其核心半徑增加到8m(用于增加泵浦吸收)并且包層直徑增加到125m,其中我們現在需要8m光纖來有效地吸收5W泵浦功率(對于與以前相同的Yb摻雜濃度)。圖3顯示了強啁啾和展寬的輸出脈沖。受激拉曼散射(SRS)已經是重要的,雖然還不是一個嚴重的問題。




 
圖3。如仿真所示,雙包層光纖放大器的輸出脈沖在時域和頻域表現出比單模放大器更強的非線性效應;

高脈沖能量放大器


為了獲得實質上更高的脈沖能量,通常使用僅發射第n個激光脈沖的脈沖拾取器來降低脈沖重復率。較低的重復頻率,例如,100千赫允許大量的脈沖能量而沒有過大的平均功率。然而,我們需要處理兩個額外的挑戰。


首先,所需的放大器增益將相應地更高,這可能導致強放大自發輻射(ASE)的問題。這常常迫使人們使用附加的放大器級和手段來抑制它們之間的ASE,例如,帶通濾波器或光開關,以及法拉第隔離器來抑制反向傳播的光。


其次,增加的峰值功率進一步提高了非線性效應的強度,使其進入例如受激拉曼散射變得有害的區域。一個硬限制是由非線性自聚焦在幾個兆瓦的峰值功率水平。


光纖非線性引起的挑戰常常迫使人們應用啁啾脈沖放大(CPA)的方法。首先,需要將脈沖分散地拉伸到幾百皮秒或甚至幾納秒的持續時間,以限制后續放大器級的峰值功率。隨后的色散壓縮則變得更加具有挑戰性,因為需要能夠處理脈沖內大范圍群延遲的壓縮機。啁啾體布拉格光柵(VBGs)可以是一種緊湊的解決方案,但對于最長的拉伸脈沖持續時間,需要體衍射光柵,它消耗更多的空間并涉及靈敏對準。


對于CPA器件,數值模擬的需要變得更強。例如,模擬可以用于檢查拉伸器和壓縮器的色散的匹配,也考慮放大器光纖的非線性相位變化。此外,還需要仔細檢查ASE等其他方面。很明顯,嘗試和錯誤的方法不適合這樣的設計任務,特別是當需要高性能的時候。
【光粒網綜合報道】( 責任編輯:xuji )
頂一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔線----------------------------

凡光粒網注明"來源:光粒網"或"來源:www.zcgokl.tw"的作品,包括但不限于本網刊載的所有與光粒網欄目內容相關的文字、圖片、圖表、視頻等網上內容,版權屬于光粒網和/或相關權利人所有,任何媒體、網站或個人未經光粒網書面授權不得轉載、摘編或利用其它方式使用上述作品;已經書面授權的,應在授權范圍內使用,并注明"來源:光粒網"。違反上述聲明者,本網將追究其相關法律責任。

【免責申明】本文僅代表作者個人觀點,與光粒網無關。其原創性以及文中陳述文字和內容未經本站證實,對本文以及其中全部或者部分內容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾,請讀者僅作參考,并請自行核實相關內容。

在線投稿有投稿需求的公司企業請直接在線申請,其他項目合作聯系 QQ:1965483967 QQ:2644977628 → 在線申請投稿 >
Copyright  ©  2010-2018 diodelaser.com.cn Inc. All rights reserved.光粒網 版權所有
鄂ICP備11013139號-2

鄂公網安備 42018502002510號

股票风险测评 进取型 顶呱刮 环球配资 网易体育比分直播 河北快三 鑫恒盈配资 股票融资对股价影响 竞彩篮球大小分 沙巴体育比分沙巴 足球指数球探网 湖南幸运赛车 10万元买理财还是国债 体球网即时比分手机版 山东群英会 超级大乐透 保定期货配资 体球即时