RP系列 激光分析设计软件 | 光纤放大器设计第五部分

dannie

光纤放大器的教程包含以下十个部分：

1、光纤中的稀土离子

2、增益和泵浦吸收

3、稳态的自洽解

4、放大的自发发射

5、正向和反向泵浦

6、用于大功率操作的双包层光纤

7、纳秒脉冲光纤放大器

8、超短脉冲光纤放大器

9、光纤放大器噪声

10、多级光纤放大器

接下来是Paschotta 博士关于光纤放大器教程的第5部分：

第五部分：正向和反向泵浦

如果我们在光纤放大器中放大一些信号，我们有不同的泵浦选项：

正向泵浦是指泵浦波与信号波的传播方向相同。

反向泵浦意味着泵浦波沿相反方向传播。

一个也可以同时双向泵送；这称为双向泵送。

图 1： 简单的掺铒光纤放大器的示意图。两个激光二极管 (LD) 为掺铒光纤提供泵浦功率，使其能够放大波长约为 1550 nm 的光。两个带尾纤的法拉第隔离器大大降低了设备对背反射的敏感性。

在下文中，我们将研究各种技术细节，这些细节部分地导致了某些泵送方向的优势。
电源转换效率
在简单情况下，有源光纤的寄生损耗可忽略不计，ASE 可忽略不计（参见第 4 部分），放大器的功率转换效率不取决于泵浦方向：
总增益仅取决于沿光纤的平均激发密度。
总泵吸收效率也仅取决于该平均值。
这同样适用于通过荧光（自发发射）损失的功率量。

所有这些也适用于准三能级激光跃迁，当然也适用于双向泵浦。
如果光纤具有大量寄生损耗，则反向泵浦更为有效。这是因为泵浦输入端附近的信号很强，抑制了该区域的激发密度，因此泵浦光在寄生损耗得到它之前就被离子有效吸收。在某些情况下，双向泵送可能更有效。然而，大多数放大器只有几米长，在这个长度内的寄生损耗并不是很重要。功率转换效率的一个更重要的差异可能来自 ASE，接下来将讨论：
放大的自发发射
我们已经在第 4 部分中看到，如果没有信号输入，ASE 在反向方向上会更强。毫不奇怪，如果我们也有信号输入，这种不对称性并不会消失，而 ASE 的数量（构成功率损耗）在很大程度上取决于信号和泵浦光的相对方向。
例如，让我们考虑与第 3 部分和第 4部分相同的掺镱光纤放大器。我们已经在左侧看到了 940 nm 的正向泵浦功率和 1030 nm 的 1 mW 信号输入功率如何演变：

图 2： 沿带正向泵浦的掺镱光纤放大器长度方向的光功率。

现在我们改为反向泵送：

图 3： 沿掺镱光纤放大器长度的光功率，现在具有反向泵浦。

我们看到 ASE 现在微弱到可以忽略不计，我们获得了 346 mW 的信号输出功率，而不是只有 290 mW。ASE 光谱（此处未显示）仅在 1030 nm 附近显示一些弱 ASE，而在 975 nm 附近则更少。975 nm 处的正净增益仅出现在距离左侧约 2 m 的光纤短区域中。
这些发现非常典型。一般来说，准三电平光纤放大器在反向泵浦时具有较低的 ASE 损耗，因此如果 ASE 损耗会很大，那么该配置中的功率转换效率会更高。对于更高的输入信号功率，造成更强的增益饱和，两个方向的差异更小。

信号的噪声污染
另一方面是与信号一起传播的ASE构成该信号的宽带噪声。对于反向泵浦，与信号同向传播的 ASE 对于准三能级系统通常更强——即使 ASE 的总功率损耗更低！因此，对于低噪音运行，前向泵送效果更好，尽管效率可能较低。
非线性效应
如果我们放大短脉冲，非线性效应通常是有害的。这将在第 7 部分中讨论，但在这里应该已经提到，反向泵送通常要好得多。原因是对于反向泵浦，脉冲能量和峰值功率最初上升得更慢，因此对于给定的输出峰值功率，空间积分峰值功率变得更低。