考虑辐射诱导衰减因素时，衍射极限掺镱光纤放大器的功率可扩展性

本研究考虑辐射诱导衰减（RIA）对Yb掺杂光纤放大器功率扩展的影响，建立数值模型分析其物理限制。结果表明，RIA显著降低功率极限，但可通过提高泵浦亮度抑制，且1018nm泵浦波长更敏感。

　　

作者：曹建秋、周尚德、陈茂妮、黄志和、马鹏飞、王泽峰、陈金宝

中国国防科技大学高级跨学科研究学院，长沙410073

摘要

本文研究了受衍射限制的掺镱光纤放大器的功率可扩展性，并考虑了辐射诱导衰减（RIA）的影响。提出了一个考虑RIA的数值模型来预测功率极限。研究结果表明，RIA不仅会显著降低功率极限，还会对实现功率极限提出更严格的要求。同时发现，通过增加泵浦光强度可以抑制RIA的负面影响。文中比较了976纳米和1018纳米两种泵浦波长，结果表明1018纳米泵浦波长使光纤放大器对RIA更敏感。本文可为高功率衍射限制光纤放大器在辐射环境中的设计和应用提供重要指导。

引言

高功率掺镱光纤放大器在激光切割、熔化、材料加工以及非线性物理、化学、医学等学术研究领域取得了显著进展[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。此外，它们具有紧凑、坚固、低成本和灵活性等优点，使其适用于恶劣环境。其中，充满各种辐射的环境使得掺镱光纤放大器受到辐射的影响日益显著[6]、[7]。

辐射主要通过在后稀土掺杂区的活性光纤中产生辐射诱导的点缺陷（称为色心）来影响光纤放大器[6]、[7]、[8]。点缺陷最重要的影响是增加掺镱光纤的背景损耗，从而导致输出功率的衰减（即辐射诱导衰减，RIA）[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。然而，需要注意的是，除了功率衰减外，RIA还会增强光纤放大器中的热效应，因为RIA导致的背景损耗会增加热负荷。

目前，有两种热效应被认为是光纤放大器功率可扩展性的重要物理限制因素：热透镜效应（TL）和横向模式不稳定（TMI）[16]、[17]。这两种效应都会通过影响横向模式特性来限制光纤放大器的输出功率。TL效应通过自聚焦效应影响横向模式[16]，而TMI则由于热诱导的光栅效应导致基模和高阶模式之间的耦合[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。

由于功率可扩展性对光纤放大器的发展至关重要，因此已有许多研究对此进行了探讨[16]、[17]、[23]、[24]、[25]、[26]。这些研究考虑了两种类型的光纤放大器：窄带和宽带放大器，它们的功率分别受到受激布里渊散射（SBS）和拉曼散射（SRS）的限制。研究发现，由于SRS的阈值较高，宽带放大器的功率可扩展性优于窄带放大器[16]。因此，在当前的研究中（例如[17]、[23]、[24]、[25]、[26]），通常选择宽带光纤放大器来研究功率可扩展性，本文也是如此。

根据以往的研究，掺镱光纤放大器的功率可扩展性主要受三个物理因素的影响：泵浦光强度（PB）、非线性效应（SRS）和热效应（TL或TMI）。在TL和TMI的限制下，预测使用976纳米泵浦源时，输出功率可分别提升至36千瓦和28千瓦[16]、[24]。还发现，泵浦波长对功率极限有影响，当泵浦波长从976纳米变为1018纳米时，功率极限可分别提高到53千瓦和36千瓦，因为较低量子缺陷可以减弱热效应（TL和TMI效应）[24]、[26]。不过，泵浦波长的选择取决于活性光纤的配置，通常较长泵浦波长需要更大的光纤芯径[25]、[26]。

然而，这些研究没有考虑辐射的影响。因此，辐射对功率可扩展性的影响（这对高功率光纤激光器在辐射环境中的应用具有指导意义）尚不明确。可以肯定的是，辐射肯定会因RIA而降低功率极限，但辐射对功率极限的影响程度如何，以及高功率光纤放大器对辐射的容忍度如何，仍有待研究。

因此，本文研究了RIA对掺镱光纤放大器功率可扩展性的影响。提出了一个考虑RIA的功率极限预测数值模型。在该模型中，RIA通过辐射引起的损耗来表示，而不是给出RIA损耗与辐射剂量的具体关系，因为这种关系强烈依赖于掺镱光纤的类型和辐射类型[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。为了进行更普遍的研究，模型中使用的是辐射损耗而不是辐射剂量，并通过经验公式（例如幂律公式[11]、[15]、[27]）结合给定掺镱光纤的实验数据来进行关联[7]、[14]。通过分析数值模型，可以揭示功率极限随RIA的变化情况。

本文的结构如下：第2节介绍数值模型；第3节利用该模型研究考虑RIA的光纤放大器的功率可扩展性，并讨论抑制RIA效应的方法；第4节得出结果和结论。

部分内容摘录

泵浦光强度（PB）的限制

泵浦光强度（PB）会限制光纤放大器的功率可扩展性，因为它决定了能够耦合到双包层掺镱光纤内包层的泵浦功率。根据参考文献[16]，不考虑RIA时，受PB限制的功率可以表示为： $P_{\mathrm{out}}^{\mathrm{pump}}$ 其中η_laser是光纤放大器的效率，I_pump是PB，NA是内包层的数值孔径。b是内包层半径，其与芯径a的关系可以表示为(Ab² = α₉₇₆a²L)

结果与讨论

利用数值模型研究了考虑RIA的光纤放大器的功率可扩展性。研究中使用的参数值见表1，结果如图1所示。

从图1可以看出，RIA会显著影响由PB、TMI和SRS决定的功率极限。不考虑RIA时，功率极限可达28千瓦；而当RIA分别为0.01-dB/m和0.05-dB/m时，功率极限分别降至16.6千瓦和7.11千瓦。这种快速下降表明辐射对功率极限的影响非常显著。

结论

本文提出了一个考虑RIA的掺镱光纤放大器功率极限预测数值模型。通过该模型研究了考虑RIA的光纤放大器的功率可扩展性。RIA通过降低PB和TMI限制的功率来影响功率可扩展性。研究发现，RIA会显著降低功率极限。当RIA仅从0 dB/m增加到0.05 dB/m时，功率极限会显著下降。

作者贡献声明

曹建秋：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、资金获取、概念构思。 周尚德：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化。 陈茂妮：可视化、验证。 黄志和：可视化、验证。 马鹏飞：研究。 王泽峰：研究。 陈金宝：项目管理、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。