光纤放大器会展宽线宽吗?

     

      为了获得不同波长的更高功率的激光,或者是利用更高功率的激光进行非线性频率变换,我们通常都通过光纤放大器进行功率放大。但是许多用户的应用场合多激光的线宽有极高的要求,通常他们会问道放大过程中,激光的线宽发生怎样的变化?光纤放大器会对种子激光的线宽有展宽吗? 

 

      频准激光技术人员设计了如下图(1)方案来测量光纤放大器所引起的线宽展宽。将种子激光分为两路,一路经过AOM移频和另一路的放大输出拍频,即可获得放大过程引起的线宽展宽叠加在AOM的射频信号上。          

     

                                    图(1)测试放大器线宽展宽原理图

 

      普通的射频频谱仪RBW最小为1Hz,最多只能测量到1 Hz的线宽。为了进一步扩大测量精度,技术人员将测量到的射频信号同另一个频率相近的稳定的射频信号混频到10 kHz左右的音频信号,并使用SR770 FFT分析仪进行测量。在RBW为61 mHz时,测量到的半高全宽为128 mHz,即放大过程的线宽展宽,如下图(2)所示。实际上,这种展宽是非常缓慢地频率波动,并不是快速的展宽,它也可以用频率稳定度来表征。

 

 

图(2),测量到的放大器线宽展宽

 

         已经得出放大器的展宽为128 mHz (10 W,1064 nm),但按照激光放大受激辐射的原理来讲,放大的输出激光完美跟随种子激光,是不会产生展宽的。那展宽从何而来呢? 自发辐射(ASE)是可能的因素,放大器工作过程中,大部分上能级粒子在受激辐射过程中被消耗,也有极少部分以自发辐射地过程消耗。那会是ASE吗? 技术人员考虑到实际测到的线宽展宽是非常慢速的频率波动,觉得ASE并不是直接原因,因为ASE的时间尺度是上能级的寿命。为了验证这个猜测,技术人员进一步设计了实验,测量不同泵浦电流(不同增益,此时有不同地ASE光谱抑制比)下的拍频信号的频率稳定度,并用阿兰标准差表征出来(阿兰标准差和频率噪声功率谱可相互推导,在此不表)如下图(3)所示。

 

图(3),不同泵浦电流下的放大器与种子激光拍频信号的频率稳定度  

     对比不同电流下的拍频信号频率稳定度,他们高度重合,因而可以认为,这种放大器的线宽展宽实际上与增益不同,验证了这种展宽非ASE噪声的猜测。考虑到这种作用的时间尺度以及它引起的频率稳定度恶化的尺度 (E-15), 技术人员认为这种展宽是光纤传输引起的。通常在放大器中,有>10 m长度的光纤,经过这种长度的光纤传输,外界温度以及应力的变化,引起光纤折射率以及尺寸的变化,进而引起在其中传输的激光的相位变化,也即是线宽或者频率的变化。这也是通常超稳激光传输所需要考虑的问题。

 

      总体而言,技术人员认为普通光纤放大器(掺Yb,掺Er,掺Tm)并不会引起激光线宽的明显展宽,其量级通常< 1Hz。除非是亚Hz的超稳激光才需要考虑放大过程的展宽,普通应用可放心使用。

 

      与此同时,技术人员在检索的时候发现,实验结果也获得已发表文章的验证。这些已发表的文章也打破了频准激光技术人员水一篇文章的幻想。crying  

 

这些文章有:

[1]  G. D. Domenico., et al. Applied Optics [J]. Vol 49. 25. (2010).

[2]  I. Riciardi., et al., Optics Express[J]. Vol 21. 12. (2013).

 

        

2020年4月22日 09:45
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