掺铥光纤可饱和吸收特性模拟与分析

陶蒙蒙， 沈炎龙，吴 勇，王振宝，冯国斌

(西北核技术研究所,西安710024； 激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024)

掺铥光纤可饱和吸收特性模拟与分析

陶蒙蒙， 沈炎龙，吴 勇，王振宝，冯国斌

(西北核技术研究所,西安710024； 激光与物质相互作用国家重点实验室,西安710024)

对掺铥光纤在1 550 nm波段的可饱和吸收特性进行了理论模拟。通过对铒离子和铥离子与饱和吸收特性相关的能级跃迁过程的研究，描述了铥离子的3H6→3F4能级跃迁的被动调Q机理。在100 mW， 980 nm激光器泵浦下，掺铒光纤激光器被动调Q重频为26.9 kHz，表明使用掺铥光纤作为可饱和吸收体，可以实现对掺铒光纤激光器的高重频调Q。

掺铒光纤激光器；被动调Q；掺铥光纤；可饱和吸收

多年来，掺铥光纤的研究工作主要集中在S波段的光通信信号放大和高功率光纤激光器领域。S波段的信号放大是通过铥离子的3H4→3F4能级跃迁来实现[1]，实验中可以获得大于10 dB的增益信号[2]。铥离子的3F4→3H6能级跃迁主要用于实现2 μm信号的输出和放大[3-5]。目前，该波段的最高输出功率已经超过了1 kW[6]。这两种应用主要利用了掺铥光纤的光谱发射特性。

近年来，基于掺铥光纤吸收谱的一些应用也逐渐得到关注。2003年，Adel等首次报道了在掺镱光纤中进行铥离子共掺，利用铥离子在1 μm波段的吸收特性实现掺镱光纤激光器被动调Q[7]。谐振腔内，铥离子3F4能级吸收镱离子发射的1 μm信号，跃迁到3F2,3能级。这样就在谐振腔内引入了对1 μm激光信号的损耗。同时，3F2,3能级粒子又经多次跃迁，回到3F4能级。由于该过程较快(约15 μs)，因此获得了高达140 kHz的重频输出。2010年，Tsai等人首次提出并实验验证了利用掺铥光纤在1 550 nm波段的吸收谱可实现掺铒光纤激光器的被动调Q[8]。同年， Kurkov研究组利用一段仅有6 cm长的掺铥光纤实现了对双包层掺铒光纤激光器的调Q[9]。在掺铒光纤激光器的被动调Q中，主要涉及铥离子的3H6→3F4能级跃迁。但是，由于3F4能级寿命较长(约334 μs)，不同实验中获得的最高重频分别为2 kHz[9]和6 kHz[8]。

本文建立了一个基于速率方程的掺铥光纤可饱和吸收特性理论模型。对掺铒光纤激光器中掺铥光纤的被动调Q机理进行了数值模拟。结果表明，铥离子的3H6→3F4能级跃迁也能获得较高的调制重频。

1 理论模型

图1为一个线型腔结构的掺铒光纤激光器，腔内加入了一段掺铥光纤作为可饱和吸收体。980 nm泵浦源由谐振腔高反镜(HR)端直接耦合到谐振腔内，激光器脉冲通过部分反射镜(PR)输出。

图1 调Q系统光路图Fig.1Schematic of the passively Q-switched system

铒离子和铥离子的简化能级结构如图2所示。

图2 铒离子和铥离子简化能级结构图Fig.2Simplified energy levels and related energy transitions of Er3+ and Tm3+

由于铒离子中4I11/2能级寿命远小于4I13/2能级寿命，所以4I11/2能级粒子数N3可以忽略不计[10]。这样，该激光器系统的速率方程为

(1)

式中，φ为腔内的光子数密度；c为真空中的光速；NEr和NTm分别为铒离子和铥离子的总粒子数密度。N2和N5为4I13/2能级和3F4能级的粒子数；σes和σas分别为掺铒光纤在1 550 nm处的发射和吸收截面；σes_sa和σas_sa分别为掺铥光纤在1 550 nm处的吸收和发射截面；δ为谐振腔的本征损耗；β为自发辐射系数;R1和R2分别为谐振腔高反镜和部分反射镜的反射率 ;Wp为泵浦速率，其与泵浦功率P的关系为

(2)

其中，λp为泵浦光波长，λp=980 nm；σap为掺铒光纤在980 nm处的吸收截面；A为掺铒光纤的有效掺杂面积；h为普朗克常量。

τ2和τ5分别为4I13/2和3F4的能级寿命。τr为谐振腔的往返时间，其定义为

(3)

其中，l、lsa和lp分别为腔内掺铒光纤、掺铥光纤和非掺杂光纤的长度。

2 模拟结果和分析

数值模拟中所使用的物理参数如表1所列[3, 11-14]。

表1理论模拟中所用参数及数值Tab.1 Parameters used in the simulation

100 mW泵浦下相关能级的粒子数时间演化及激光脉冲的产生过程，如图3所示。可以看到，开始时，4I13/2能级粒子数逐渐增加，并通过4I13/2→4I15/2能级跃迁，在腔内产生1 550 nm激光信号。部分激光信号被铥离子3H6能级吸收，这样，一方面在腔内引入了对信号光的损耗，使得激光器低于阈值；另一方面，也使得3F4能级粒子数增加。当3F4能级粒子数达到一定水平后，3H6能级的吸收能力达到饱和，由此引入的腔内损耗也就消失。在980 nm持续泵浦下，激光器达到阈值，从而产生一个1 550 nm的激光脉冲。同时，3F4能级的衰减速率超过3H6能级的吸收速率，3F4能级粒子数开始减少。当粒子数减少到一定水平后，3H6能级的吸收又占据主导地位，直到3F4能级粒子数再次达到饱和。如此循环往复，就可以得到一系列脉冲输出。

从图3(b)可以看出，3F4能级粒子数达到饱和所需的时间远小于粒子数衰减的时间，表明脉冲重频主要受到3F4能级寿命的限制。

(b)Normalized population of the 3F4 energy level

(c)Normalized lasing intensity 图3100 mW泵浦下4I13/2能级和3F4能级的时间演化以及激光脉冲的产生Fig.3Temporal evolution of the 4I13/2 and 3F4 energy levels and the formation of a laser pulse

典型脉冲输出如图4所示。图4(a)为稳定的脉冲输出序列，脉冲重频为26.9 kHz，表明利用铥离子的3H6→3F4能级跃迁能获得较高的重频输出。图4(b)中为单个脉冲输出，脉冲宽度为399.1 ns。需要指出的是，图4(b)中的单个脉冲轮廓是由79个单脉冲叠加形成的。由此可见，模拟获得的激光脉冲在脉冲宽度和脉冲强度上都具有很好的一致性。

图5中所示为激光强度与掺铥光纤吸收能力的时间演化图。掺铥光纤的调制深度约为32.9%。正是这32.9%的损耗调制诱导了掺铒光纤激光器的被动调Q。

(a)Laser pulse train

(b)a single laser pulse 图4100 mW泵浦功率下的典型脉冲输出Fig.4Typical pulse output with 100 mW pump power

图5 激光强度与掺铥光纤吸收能力时间演化图Fig.5Temporal evolution of the lasing intensity correlated absorption ability of the Tm-doped fiber

3 结论

对掺铥光纤在1 550 nm波段的可饱和吸收特性进行了理论模拟。描述了基于铥离子的3H6→3F4能级跃迁的被动调Q过程。模拟结果表明，利用铥离子中3H6→3F4能级跃迁可获得较高的调制重频，重频的继续提升受限于3F4能级寿命；掺铥光纤作为可饱和吸收体可以实现对掺铒光纤激光器的稳定被动调Q，而且脉冲具有很好的一致性。由于掺铥光纤的吸收谱覆盖了掺铒光纤在1 550 nm波段的整个发射谱，所以，利用掺铥光纤有望实现对掺铒光纤激光器的全发射谱被动调Q。

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Theoretical Modeling and Analysis of the Saturable Absorption Characteristics of Tm-doped Fiber

TAO Meng-meng,SHEN Yan-long,WU Yong,WANG Zhen-bao,FENG Guo-bin

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Xi’an710024,China)

A theoretical model concerning the saturable absorption characteristics of Tm-doped fiber at 1 550 nm is presented. Investigations on the related energy transition processes are conducted,and the passivelyQ-switched mechanism related to the3H6→3F4energy transition process is described. Numerical results show that, with 100 mW 980 nm laser pumped, the Er-doped fiber laser can operate at repetition rate of 26.9 kHz, indicating that high repetition rateQ-switched operation of Er-doped fiber lasers will achieve with Tm-doped fiber saturable absorber.

Er-doped fiber laser;passivelyQ-switched;Tm-doped fiber;saturable absorption

2016-06-28；

2016-08-30

陶蒙蒙(1989- )，男，河南周口人，助理研究员，博士研究生，主要从事光纤激光技术研究。

E-mail:taomengmeng@nint.ac.cn

TN248.1

A

2095-6223(2016)040301(4)