掺铥光纤激光器中光子暗化效应的影响因素

谭亮，延凤平

1.全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京，100044；2.北京交通大学光波技术研究所，北京，100044

0 引言

在实际应用中，人们不仅要求激光器具有比较高的输出功率，而且还要求激光器能保持良好的稳定性能和比较长的使用寿命。在一般的大功率掺杂光纤激光器中，光子暗化效应是影响光纤激光器稳定性和寿命的一个非常重要的因素。光子暗化指在掺杂光纤放大器或激光器中，由于光照、温度以及光纤结构等外在因素，导致稀土掺杂光纤的某些特性恶化进而影响了激光器效率稳定性和输出功率的现象[1]，比如抽运功率损失、输出功率降低、不稳定性阈值减小等，所以需要对其进行定期维护。

针对掺铥光纤激光器的光子暗化效应研究，很大程度上可以参考掺镱光纤激光器的研究方法和成果，目前关于PD的产生机理和抑制方法等基本上都是以YDFL为基础来研究和探讨的[2]，但光子暗化的产生机理还没有明确的总结和统一说法，大部分是通过实验现象来进行假说验证的。

1 光子暗化效应测试实验

在掺铥光纤激光器的光子暗化效应检测实验中，自主设计了一套测试装置，如图1所示，使用多个不同波长的连续LD半导体激光器相继作为探测光，通过分比为1:9的耦合器后，10%的功率光进入功率计中，另一端进入合束器，然后输出端连接双包层掺铥光纤，通过包层光滤除器，除去包层中的信号光和泵浦光，进入单模光纤，最后用探测器进行探测。此实验中耦合器用于检测探测光的功率大小和稳定性，隔离器用来防止信号光反射回来，为了提高光纤上铥离子的粒子数反转率，保持泵浦功率密度均匀，进一步缩短PD效应的时间尺度。掺铥光纤长度约为12cm，掺铥光纤光子暗化只发生在有铥掺杂的区域，只需要考虑纤芯的损耗，所以在掺铥光纤另一端加上包层光滤除器滤除掉泵浦光，同时在末尾端涂上硅脂，最后熔接到单模光纤以尽量保证只传输纤芯中的信号光。通过探测器测量信号光的功率变化来标定光子暗化的强度。

图1 光子暗化效应测试装置

2 数据处理

根据文献目前对于此类实验使用较多的是两种时间相关拟合函数，即双指数函数和拉伸指数函数，拉伸指数函数具有更好的表现力，下文中将主要使用此函数进行数据拟合来得到平衡态额外损耗以及暗化速率等参数水平[3]。拉伸指数函数的拟合曲线表达式为：

式（1）中，a(t)为随时间变化的额外损耗值函数，aeq为到达平衡态时的额外损耗值，τ为光子暗化速率，表示光子暗化产生损耗的快慢值，β为拉伸指数，定义在0～1之间，无特别解释意义。

3 检测结果

根据上述检测装置和拟合函数，将掺铥光纤激光器在不同条件下对光子暗化效应的影响进行实验分析，进行了四组实验，分别考察信号光、泵浦光以及铥离子浓度等对TDFL光子暗化的影响。

3.1 不同波长光的暗化强度关系

本实验用波长为1064nm的LD激光器泵浦掺铥光纤，泵浦功率约为600mW，开始时每隔5min检测一次数据，测量10次，然后每隔10min检测一次数据，测量9次，总共泵浦时间为140min。因为可见光附加损耗较强，为了大大提高测量精度，采用了4种不同波长的单模激光光源，分别为635nm、705nm、780nm、850nm，功率都为50mW。

由图2可以看出，635nm和705nm两个波长处的额外损耗较大，在平衡态分别达到了91.11dB/m和82.51dB/m，另外两个波长处附加损耗较小，约为28.82dB/m和8.32dB/m，并且都满足一个相似的变化趋势，在测试开始阶段附加损耗增加较快，后面逐渐趋缓变慢，最后达到一个平衡态，但探测光源波长越短其变化速度越快，同时平衡态额外损耗越大。从表1中可以看出635nm处拟合优度相较差点，可能因为处于测试波长范围段的边缘（常见暗化效应发生范围为600～1200nm），同时可能与探测器参数因素有关。

图2 四种波长处的额外损耗时间变化图

表1 各项拟合参数

最终根据实验结果得出的结论是：在测试波长范围内，信号源的波长会影响到掺铥光纤激光器的光子暗化效应程度，波长越大掺铥光纤所发生的PD越小。

3.2 不同泵浦光功率与暗化强度之间的影响

第一个实验的结果很好地展现了不同波长与暗化效应的影响关系，由于705nm处位于测试范围中段，且具有良好的表现，此实验将采用705nm波长作为测试光源，并以780nm波长作为对照，探究泵浦光功率对PD的影响。

其他条件不变，泵浦波长为1064nm，探测光源波长为705nm，功率为50mW，将泵浦功率设为455mW、608mW、742mW三个值分别进行实验和数据测量，开始时每隔5min测量一次，然后每隔10min测量一次，一共泵浦140min，保持其他环境因素基本不变。

表2 三种功率泵浦的拟合参数

图3所示为705nm处掺铥光纤额外损耗随时间变化的关系，可以看出，在信号光功率不变的情况下，泵浦功率越大，额外损耗值越高，即光子暗化强度越大。讨论到泵浦功率的具体影响因素，可认为是受粒子数反转率的影响[4-5]，如果不考虑自发辐射产生的损耗，且在不产生激光的情况下，粒子数反转率主要与泵浦光强度、铥离子吸收截面和发射截面等几个因素有关，所以当没有产生激光时，可近似认为粒子数均匀反转，泵浦功率越大时粒子数反转率越高，促进了铥离子的上能级转换过程，导致色心的形成。

图3 在705nm波长处三种泵浦功率下的附加损耗变化

3.3 不同泵浦光波长与暗化强度之间的影响

此实验将讨论泵浦波长对光子暗化效应的影响。目前大功率掺铥光纤激光器常用的几种产生2μm波长输出激光的泵浦方式，其中793nm、1064nm和1580nm三个波长为最常见的泵浦方案。本实验将主要讨论在此三种波长的泵浦下掺铥光纤的暗化效应，探测光源波长为705nm、功率为50mW、泵浦源功率为600mW，分三次分别测量每种泵浦波长下的数据，每隔10min检测一次数据，每组总共测量40次，总共泵浦时间为400min。

由图3和图4可以看出，1064nm泵浦波长处额外损耗值在100min内就迅速达到了平衡状态，最终平衡态附加损耗为88.45dB/m，而793nm波长处的附加损耗值变化非常缓慢，在400min时还没有达到最终平衡态，同时从图4中可以直观地看到其平衡态损耗要小于1064nm处的损耗，在1580nm处附加损耗基本为0。得出的结论：掺铥光纤激光器的光子暗化效应在1064nm泵浦波长处的暗化程度是最高的，并且暗化速率非常大；在793nm泵浦波长下掺铥光纤的光子暗化速率较小，平衡态附加损耗也更小，时间尺度出现了极大的增加。分析这种现象产生的原因，主要和铥离子的泵浦方式有关，1064nm泵浦方式是3H6→3H5模型会存在一个上能级转换过程，部分铥离子会跃迁到3F2,3能级，产生红光或者蓝光，在此过程中泵浦光子的能量可能会可逆地转换为色心，吸收泵浦光和信号光导致PD现象的产生，而其他两种泵浦方式其上转换过程效率要低于1064 nm泵浦方式。

图4 三种不同泵浦波长下的附加损耗变化

4 总结与展望

主要讨论了掺铥光纤激光器中光子暗化效应的影响因素，比如信号光波长、泵浦光波长、泵浦光功率、铥离子掺杂浓度等，并参考掺镱光纤激光器光子暗化效应的研究和目前人们对PD效应产生机理的描述，总结分析了产生相应现象的可能原因。

光子暗化效应已经成为影响掺铥光纤激光器功率和模式稳定性的重要因素之一，严重阻碍了光纤激光器应用领域的进一步拓展。因此越来越多的研究学者对如何抑制甚至消除光子暗化效应开始进行深入的探索[6-7]，以解决大功率光纤激光发展的技术瓶颈。目前对描述光子暗化效应的产生机理显然不够成熟，同时对光子暗化的研究大多基本集中在大功率掺镱光纤激光器中，而对于2µm波段的TDFL研究并不多，所以对于目前我们在大功率掺铥光纤激光器中所存在的PD效应的认识并不十分清晰。因此，更加全面地分析掺铥光纤激光器中光子暗化效应的影响因素有助于采取合适的方法来提高激光器的稳定性，从而进一步提高掺铥光纤激光器的输出功率。