空间多点泵浦对光纤放大器 SBS效应抑制的研究

赵海川 陶蒙蒙， 王振宝， 朱永祥， 陈绍武， 闫 燕， 叶锡生

(1. 西北核技术研究所, 西安 710024; 2. 激光与物质相互作用国家重点实验室， 西安 710024; 3. 上海光学精密机械研究所， 上海 201800)

光纤激光器具有光束质量好、体积小、效率高和热管理方便等优点，近年来越来越多地被应用到工业加工、科研和国防工业等领域[1]。其中，窄线宽线偏激光在激光雷达、频率转换和相干合成等领域有着重要的应用前景[2-5]。主振荡功率放大(MOPA)结构的全光纤激光器具有结构紧凑和工作稳定的优点，是窄线宽线偏光纤激光向高功率方向发展的一种有效方案。但受限于光纤中受激布里渊散射(SBS)效应，商业化的掺镱窄线宽线偏光纤激光器最大输出功率小于百瓦[6-8]。因此，如何有效抑制放大级SBS效应是提升窄线宽线偏光纤激光功率水平的关键因素。目前，抑制光纤中SBS效应的方法主要有4种：1)增大纤芯直径，降低功率密度[9-10]；2)设计特殊掺杂光纤，降低光场和声场的重叠度[11-12]；3)使用温度或应力等方法展宽SBS增益谱[13]；4)对信号光进行谱线操控实现多单频放大[14]。上述方法各有优缺点，一些想法和设计也仅停留在实验室阶段。

泵浦系统是激光放大器的必要构成部分之一，得益于泵浦技术的发展，光纤激光器的输出功率水平近年来实现了大跨越。泵浦方式、泵浦功率决定增益光纤中反转粒子数的数量和空间分布，从而影响放大器的输出功率和效率[15]。基于此，本文提出一种新的抑制光纤放大器中SBS效应的方法——空间多点泵浦法，并进行了理论分析和数值模拟。结果表明，通过改变目前常规的前端泵浦方式，重新分配放大器中反转粒子数的分布，可以实现光纤放大器SBS效应的有效抑制。

1 理论分析

SBS是入射光和介质之间产生的非线性相互作用，在量子力学中，可以将该过程解释为一个入射光子湮灭同时产生了一个Stokes散射光子和一个声学声子，在光纤中SBS仅发生在后向，即仅有后向散射光子产生。根据散射过程中的能量和动量守恒原理，后向散射光子会发生频移v0=2npυA/λp，其中np、υA和λp分别为介质有效折射率、介质中声速及入射波长。对于石英光纤，频移约为16 GHz，由此引起的波长变化仅为0.07 nm。因此，散射光仍处于镱离子的增益带宽内，在后向传输过程中，也会由于粒子数反转而得到放大，从而对整个放大系统的效率及安全产生影响。

对光纤放大器中信号光和SBS散射光的放大过程进行了模拟。根据泵浦光的传输方向，泵浦方式可分为前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种。后向泵浦方式对器件要求更高，且不利于前级放大器正常工作，因此全光纤结构的放大器，特别是高功率运转时，基本采用前向泵浦方式，本文仅就前向泵浦的情况进行讨论。图1是常见的光纤放大器结构示意图。利用耦合器将种子光和泵浦光耦合进入增益光纤前端，泵浦光激励增益光纤，使得信号光在传输过程中放大，最后由准直器输出。

图1 前向泵浦光纤放大器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of forward-pumped fiber amplifier

考虑到信号光可以得到充分放大，即可以忽略放大的自发辐射(ASE)的影响，描述掺镱双包层光纤放大器的信号光及SBS散射光的速率方程组可以表示为[16-17]

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，Ps为信号光功率;Pp为前向泵浦光功率;z为光纤坐标位置；σ为截面面积，上标a表示吸收，e代表发射；下标s代表信号光，p代表泵浦光；Γs和Γp分别为信号光和泵浦光光场模式与镱离子掺杂区域的重叠因子；αs和αp分别为信号光和泵浦光的背景损耗；N0和N2分别为镱离子的掺杂浓度和上能级离子浓度;τ为镱离子上能级寿命;Aeff为光纤纤芯的有效面积。gSBS为Stokes光增益系数，某频率vSBS的增益系数可由下式进行计算:

(5)

(6)

Δv0=cfΔT

(7)

其中,ΔvB为SBS散射光谱宽；v0为散射光中心频率；α为泵浦光吸收系数；η为量子亏损;P(z)为泵浦功率沿光纤的分布;a和b分别为纤芯和内包层半径;K为转热系数;λ为导热系数;cf为温度系数。对百瓦级泵浦功率的光纤放大器进行模拟，模拟参数如表1所列[17]。

表1 单频光纤放大器数值模拟使用参数列表Tab.1 The parameter values of the amplifier

数值模拟时，信号光功率为3 W，泵浦功率为100 W，图2是放大器模拟结果。从结果可以看出，由于系统从前向开始泵浦，光纤初始段中反转粒子数数量较多(图2b)，且此时信号光功率较小，信号光会被迅速放大，在光纤后端，泵浦光功率下降导致反转粒子数减小，介质增益有限(图2c)；而对于SBS散射光，初始阶段，其功率较小，且由于反向传输，光纤后段增益有限，因此功率增长缓慢，当处于光纤前段时，放大器高增益系数和自身功率的增大导致SBS光被迅速放大(图2d)，最终SBS光功率达到3.2 W。

(a) Distribution of pumping light

(b) Distribution of population inversion

(c) Distribution of signal light

(d) Distribution of SBS light

从上述分析可知，放大器前端高增益系数是SBS散射光功率增强的主要原因。如果改变反转粒子数的空间分布，减小光纤前端增益系数，使SBS光不充分放大，就可以抑制放大器中的SBS效应。

2 数值模拟

采用空间多点泵浦，通过合理设计放大器的泵浦功率和空间位置，就能改变放大器中增益分布，如图3所示。目前,侧面泵浦的方式主要有V型槽耦合、嵌入微反射镜耦合和侧面磨抛耦合等方式。本文只讨论多点泵浦对SBS效应的抑制作用，对具体技术细节不做过多描述。对空间两点泵浦放大器进行数值模拟，计算参数同第2节所述，其中总泵浦功率仍为100 W，第一点泵浦点与第二点泵浦功率之比为1∶4，第二泵浦点距离光纤初始端2 m。忽略耦合器带来的泵浦光和信号光，模拟结果如图4所示。

图3 空间两点泵浦光纤放大器结构示意图Fig.3 Schematic diagram of two-pumping source fiber amplifier

(a) Distribution of pumping light

(b) Distribution of population inversion

(c) Distribution of signal light

(d) Distribution of SBS light

从模拟结果可以看出，由于泵浦功率空间分布的改变导致光纤中前端反转粒子数的减少，其最大值仅为0.12，出现在第二泵浦点处，小于单点泵浦时的0.18，因此信号光初始阶段放大较小，从第二泵浦点处才开始迅速增大，最终输出功率84.5 W，略大于单点泵浦时的83.9 W，说明两点泵浦结构的放大器中信号光仍能被充分放大，保证了放大器的效率。因为SBS光反向传播，光纤前端较小的增益限制了SBS光的放大效率，因此其在光纤中的传输过程不能被有效放大，最终功率为6.8 mW，仅为单点前向泵浦下3.2 W时的0.2%。

图5为两种泵浦方式下，光纤中信号光、SBS散射光功率及其增益系数沿光纤的分布。从图中可以看出，从光纤2 m至末端，两点泵浦的信号光增益大于单点泵浦时，所以虽然两点泵浦时2 m处的信号光11.6 W远小于单点泵浦时的43 W，但是在后续放大中能被充分放大，最终输出功率为84.5 W，还略大于单点泵浦时的83.9 W。除去第二泵浦点附近一小段长度，单点泵浦中SBS散射光的增益系数均大于两点泵浦时，正是由于全程较大的增益系数，单点泵浦的SBS散射光能够被放大至瓦量级。这也再次说明泵浦方式对光纤增益的改变是SBS散射光被抑制的主要原因。

图6为两种泵浦方式下，SBS光在光纤中的增益过程，其中横坐标为光纤长度，纵坐标为SBS光中心频率的频移，不同的颜色表示SBS光的强度。从图中可以看出，两点泵浦有效展宽了SBS光谱线，抑制了放大器中的SBS效应。

(a) Signal power and gain

(b) SBS light and gain

图5功率及增益系数随光纤长度的变化
Fig.5Distributionofpowerandgain

图6 不同泵浦方式下SBS光增益过程Fig.6 Distribution of SBS gain for different pumping sources

由理论分析及数值模拟结果可知，多点泵浦方式可以有效抑制光纤放大器中的SBS效应。由于SBS和信号光是反向传输，前端SBS增益的减小使得泵浦功率主要集中在后端，因此需要计算分节点位置及功率分配，否则可能出现信号光不能有效放大的现象。同样以上述百瓦级激光放大器为例进行说明。定义Rp为第二和第一泵浦点泵浦功率之比，RL为泵浦点光纤长度和光纤总长度之比,则不同功率比和长度比时，光纤放大器输出功率和SBS功率,如图7所示。

(a) Contour map of output power

(b) Contour map of SBS power

图7输出功率和SBS功率变化等位线
Fig.7ContourmapofoutputandSBSlightpower

从图7可以看出，SBS功率的大小主要由RP值决定，随RP值的增大而减小，而输出功率受RP和RL的共同影响，较大的功率比和较小的长度比会带来较大的放大效率。当第二泵浦点功率较大且距离光纤前端较远时，即RP和RL值都较大时，SBS功率较小，如图7(b)左上部，这是因为泵浦功率主要分布在光纤后段，前端增益小，对SBS光的放大有限，但是此时后端光纤长度有限，信号光不能充分放大，导致输出激光功率较小，如图7(a)左上部；如果选择较短的长度比和较大的功率比，会增大放大器的效率，如图6(a)右下部，这时信号光能在增益介质内充分放大，但同样会引起SBS功率的迅速增长，如图7(b)右下部。综上所述，对于上述百瓦级两级泵浦光纤激光放大器，RP和RL取值最优区间分别为0.7～0.9 W及0.2～0.3 W，在此区间内放大器能保持高效率和低SBS散射功率。

3 结论

本文提出了一种光纤放大器SBS效应抑制的新方法，即空间多点泵浦。通过泵浦点数目的增加和泵浦功率的变化，改变光纤中反转粒子数的空间分布，限制光纤中SBS光的放大过程，最终在保证放大器效率的同时实现对SBS效应的抑制。对百瓦级放大器，两点泵浦在将放大器输出功率略微提升的同时，将SBS光功率限制在mW量级，远远低于前端泵浦时的3.2 W。数值结果表明，多点泵浦可以在不影响光纤放大器放大效率的同时有效抑制SBS效应。需要说明的是，本例计算结果只是针对特定参数下的放大器，不同功率放大器其泵浦点数及功率分布不同，需要针对具体数值进行计算。但是该技术具有通用性和可扩展性，且随着泵浦技术的进步，侧面耦合效率的提高能进一步提升该技术的应用前景，有望应用于高功率窄线宽线偏光纤放大器的设计。

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