譚亮，延鳳平

1.全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點實驗室，北京，100044；2.北京交通大學(xué)光波技術(shù)研究所，北京，100044

0 引言

在實際應(yīng)用中，人們不僅要求激光器具有比較高的輸出功率，而且還要求激光器能保持良好的穩(wěn)定性能和比較長的使用壽命。在一般的大功率摻雜光纖激光器中，光子暗化效應(yīng)是影響光纖激光器穩(wěn)定性和壽命的一個非常重要的因素。光子暗化指在摻雜光纖放大器或激光器中，由于光照、溫度以及光纖結(jié)構(gòu)等外在因素，導(dǎo)致稀土摻雜光纖的某些特性惡化進而影響了激光器效率穩(wěn)定性和輸出功率的現(xiàn)象[1]，比如抽運功率損失、輸出功率降低、不穩(wěn)定性閾值減小等，所以需要對其進行定期維護。

針對摻銩光纖激光器的光子暗化效應(yīng)研究，很大程度上可以參考摻鐿光纖激光器的研究方法和成果，目前關(guān)于PD的產(chǎn)生機理和抑制方法等基本上都是以YDFL為基礎(chǔ)來研究和探討的[2]，但光子暗化的產(chǎn)生機理還沒有明確的總結(jié)和統(tǒng)一說法，大部分是通過實驗現(xiàn)象來進行假說驗證的。

1 光子暗化效應(yīng)測試實驗

在摻銩光纖激光器的光子暗化效應(yīng)檢測實驗中，自主設(shè)計了一套測試裝置，如圖1所示，使用多個不同波長的連續(xù)LD半導(dǎo)體激光器相繼作為探測光，通過分比為1:9的耦合器后，10%的功率光進入功率計中，另一端進入合束器，然后輸出端連接雙包層摻銩光纖，通過包層光濾除器，除去包層中的信號光和泵浦光，進入單模光纖，最后用探測器進行探測。此實驗中耦合器用于檢測探測光的功率大小和穩(wěn)定性，隔離器用來防止信號光反射回來，為了提高光纖上銩離子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)率，保持泵浦功率密度均勻，進一步縮短PD效應(yīng)的時間尺度。摻銩光纖長度約為12cm，摻銩光纖光子暗化只發(fā)生在有銩摻雜的區(qū)域，只需要考慮纖芯的損耗，所以在摻銩光纖另一端加上包層光濾除器濾除掉泵浦光，同時在末尾端涂上硅脂，最后熔接到單模光纖以盡量保證只傳輸纖芯中的信號光。通過探測器測量信號光的功率變化來標(biāo)定光子暗化的強度。

圖1 光子暗化效應(yīng)測試裝置

2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)文獻目前對于此類實驗使用較多的是兩種時間相關(guān)擬合函數(shù)，即雙指數(shù)函數(shù)和拉伸指數(shù)函數(shù)，拉伸指數(shù)函數(shù)具有更好的表現(xiàn)力，下文中將主要使用此函數(shù)進行數(shù)據(jù)擬合來得到平衡態(tài)額外損耗以及暗化速率等參數(shù)水平[3]。拉伸指數(shù)函數(shù)的擬合曲線表達(dá)式為：

式（1）中，a(t)為隨時間變化的額外損耗值函數(shù)，aeq為到達(dá)平衡態(tài)時的額外損耗值，τ為光子暗化速率，表示光子暗化產(chǎn)生損耗的快慢值，β為拉伸指數(shù)，定義在0～1之間，無特別解釋意義。

3 檢測結(jié)果

根據(jù)上述檢測裝置和擬合函數(shù)，將摻銩光纖激光器在不同條件下對光子暗化效應(yīng)的影響進行實驗分析，進行了四組實驗，分別考察信號光、泵浦光以及銩離子濃度等對TDFL光子暗化的影響。

3.1 不同波長光的暗化強度關(guān)系

本實驗用波長為1064nm的LD激光器泵浦摻銩光纖，泵浦功率約為600mW，開始時每隔5min檢測一次數(shù)據(jù)，測量10次，然后每隔10min檢測一次數(shù)據(jù)，測量9次，總共泵浦時間為140min。因為可見光附加損耗較強，為了大大提高測量精度，采用了4種不同波長的單模激光光源，分別為635nm、705nm、780nm、850nm，功率都為50mW。

由圖2可以看出，635nm和705nm兩個波長處的額外損耗較大，在平衡態(tài)分別達(dá)到了91.11dB/m和82.51dB/m，另外兩個波長處附加損耗較小，約為28.82dB/m和8.32dB/m，并且都滿足一個相似的變化趨勢，在測試開始階段附加損耗增加較快，后面逐漸趨緩變慢，最后達(dá)到一個平衡態(tài)，但探測光源波長越短其變化速度越快，同時平衡態(tài)額外損耗越大。從表1中可以看出635nm處擬合優(yōu)度相較差點，可能因為處于測試波長范圍段的邊緣（常見暗化效應(yīng)發(fā)生范圍為600～1200nm），同時可能與探測器參數(shù)因素有關(guān)。

圖2 四種波長處的額外損耗時間變化圖

表1 各項擬合參數(shù)

最終根據(jù)實驗結(jié)果得出的結(jié)論是：在測試波長范圍內(nèi)，信號源的波長會影響到摻銩光纖激光器的光子暗化效應(yīng)程度，波長越大摻銩光纖所發(fā)生的PD越小。

3.2 不同泵浦光功率與暗化強度之間的影響

第一個實驗的結(jié)果很好地展現(xiàn)了不同波長與暗化效應(yīng)的影響關(guān)系，由于705nm處位于測試范圍中段，且具有良好的表現(xiàn)，此實驗將采用705nm波長作為測試光源，并以780nm波長作為對照，探究泵浦光功率對PD的影響。

其他條件不變，泵浦波長為1064nm，探測光源波長為705nm，功率為50mW，將泵浦功率設(shè)為455mW、608mW、742mW三個值分別進行實驗和數(shù)據(jù)測量，開始時每隔5min測量一次，然后每隔10min測量一次，一共泵浦140min，保持其他環(huán)境因素基本不變。

表2 三種功率泵浦的擬合參數(shù)

圖3所示為705nm處摻銩光纖額外損耗隨時間變化的關(guān)系，可以看出，在信號光功率不變的情況下，泵浦功率越大，額外損耗值越高，即光子暗化強度越大。討論到泵浦功率的具體影響因素，可認(rèn)為是受粒子數(shù)反轉(zhuǎn)率的影響[4-5]，如果不考慮自發(fā)輻射產(chǎn)生的損耗，且在不產(chǎn)生激光的情況下，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)率主要與泵浦光強度、銩離子吸收截面和發(fā)射截面等幾個因素有關(guān)，所以當(dāng)沒有產(chǎn)生激光時，可近似認(rèn)為粒子數(shù)均勻反轉(zhuǎn)，泵浦功率越大時粒子數(shù)反轉(zhuǎn)率越高，促進了銩離子的上能級轉(zhuǎn)換過程，導(dǎo)致色心的形成。

圖3 在705nm波長處三種泵浦功率下的附加損耗變化

3.3 不同泵浦光波長與暗化強度之間的影響

此實驗將討論泵浦波長對光子暗化效應(yīng)的影響。目前大功率摻銩光纖激光器常用的幾種產(chǎn)生2μm波長輸出激光的泵浦方式，其中793nm、1064nm和1580nm三個波長為最常見的泵浦方案。本實驗將主要討論在此三種波長的泵浦下?lián)戒A光纖的暗化效應(yīng)，探測光源波長為705nm、功率為50mW、泵浦源功率為600mW，分三次分別測量每種泵浦波長下的數(shù)據(jù)，每隔10min檢測一次數(shù)據(jù)，每組總共測量40次，總共泵浦時間為400min。

由圖3和圖4可以看出，1064nm泵浦波長處額外損耗值在100min內(nèi)就迅速達(dá)到了平衡狀態(tài)，最終平衡態(tài)附加損耗為88.45dB/m，而793nm波長處的附加損耗值變化非常緩慢，在400min時還沒有達(dá)到最終平衡態(tài)，同時從圖4中可以直觀地看到其平衡態(tài)損耗要小于1064nm處的損耗，在1580nm處附加損耗基本為0。得出的結(jié)論：摻銩光纖激光器的光子暗化效應(yīng)在1064nm泵浦波長處的暗化程度是最高的，并且暗化速率非常大；在793nm泵浦波長下?lián)戒A光纖的光子暗化速率較小，平衡態(tài)附加損耗也更小，時間尺度出現(xiàn)了極大的增加。分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，主要和銩離子的泵浦方式有關(guān)，1064nm泵浦方式是3H6→3H5模型會存在一個上能級轉(zhuǎn)換過程，部分銩離子會躍遷到3F2,3能級，產(chǎn)生紅光或者藍(lán)光，在此過程中泵浦光子的能量可能會可逆地轉(zhuǎn)換為色心，吸收泵浦光和信號光導(dǎo)致PD現(xiàn)象的產(chǎn)生，而其他兩種泵浦方式其上轉(zhuǎn)換過程效率要低于1064 nm泵浦方式。

圖4 三種不同泵浦波長下的附加損耗變化

4 總結(jié)與展望

主要討論了摻銩光纖激光器中光子暗化效應(yīng)的影響因素，比如信號光波長、泵浦光波長、泵浦光功率、銩離子摻雜濃度等，并參考摻鐿光纖激光器光子暗化效應(yīng)的研究和目前人們對PD效應(yīng)產(chǎn)生機理的描述，總結(jié)分析了產(chǎn)生相應(yīng)現(xiàn)象的可能原因。

光子暗化效應(yīng)已經(jīng)成為影響摻銩光纖激光器功率和模式穩(wěn)定性的重要因素之一，嚴(yán)重阻礙了光纖激光器應(yīng)用領(lǐng)域的進一步拓展。因此越來越多的研究學(xué)者對如何抑制甚至消除光子暗化效應(yīng)開始進行深入的探索[6-7]，以解決大功率光纖激光發(fā)展的技術(shù)瓶頸。目前對描述光子暗化效應(yīng)的產(chǎn)生機理顯然不夠成熟，同時對光子暗化的研究大多基本集中在大功率摻鐿光纖激光器中，而對于2μm波段的TDFL研究并不多，所以對于目前我們在大功率摻銩光纖激光器中所存在的PD效應(yīng)的認(rèn)識并不十分清晰。因此，更加全面地分析摻銩光纖激光器中光子暗化效應(yīng)的影響因素有助于采取合適的方法來提高激光器的穩(wěn)定性，從而進一步提高摻銩光纖激光器的輸出功率。