光纖放大器的教程包含以下十個部分：

1、光纖中的稀土離子

2、增益和泵浦吸收

3、穩態的自洽解

4、放大的自發發射

5、正向和反向泵浦

6、用于大功率操作的雙包層光纖

7、納秒脈沖光纖放大器

8、超短脈沖光纖放大器

9、光纖放大器噪聲

10、多級光纖放大器

接下來是Paschotta 博士關于光纖放大器教程的第7部分：

第七部分：納秒脈沖光纖放大器

產生高能納秒脈沖的方法

稀土摻雜的激光增益介質，如摻雜玻璃纖維，具有較長的上態壽命。這意味著我們可以在沒有信號輸入的情況下通過泵送這種設備在這種設備中存儲大量能量，然后用一個短脈沖提取所有存儲的能量。通過將存儲的能量暫時集中到持續時間僅為例如幾納秒的脈沖，可以獲得相當大的峰值功率。

傳統上，強納秒脈沖是由Q 開關 體激光器產生的。一種完全不同的方法是使用廉價的低功率脈沖種子源——例如，增益開關 激光二極管——并使用光纖放大器系統將其輸出放大到相當大的能量。該方法的一個吸引人的特點是可以輕松改變脈沖重復率和輸出脈沖能量，而無需改變脈沖持續時間，或改變脈沖持續時間和形狀而不影響其他脈沖參數。此外，還可以將兩種或多種不同波長的種子激光器結合起來。在調Q激光器中，這種靈活的參數控制是不可能的；例如，較低的脈沖能量通常意味著較長的脈沖。

脈沖單模二極管激光器的低峰值功率（通常低于 1 W）意味著需要相當高的放大器增益才能達到微焦甚至毫焦。使用單個放大器級，例如提供 40 dB 增益，我們可以輸出幾十微焦耳。事實上，許多應用需要更高的脈沖能量，因此需要至少兩個放大器級。

光纖非線性的局限性

雖然從光纖中獲得大量增益相對容易，但光纖非線性會帶來很多麻煩：

? 一個硬限制來自于幾兆瓦峰值功率的災難性自聚焦。如果一個人試圖超過這個限制，光纖就會被摧毀。值得注意的是，它不能通過增加光纖的有效模式面積來增加。

? 在自聚焦變得至關重要之前，自相位調制(SPM) 可能會導致嚴重的影響，盡管不會導致自毀。它可以顯著拓寬光譜——但這對于某些應用來說并不重要，例如在激光材料加工中。

? 對于窄帶光，受激布里淵散射(SBS) 是一個非常有限的因素。即使具有1000 μm 2的相對較大的有效模式面積，也已經達到了 ≈90 dB 的最大可接受布里淵增益，例如，在 1 m 的光纖上僅 400 W（對于足夠窄的脈沖）。對于太高的 SBS 增益，會產生強烈的非線性反射，即，功率被送回種子激光器并可能殺死它。如果可以產生具有數千兆赫甚至更高的大光帶寬 的種子脈沖，則可以大大增加 SBS 功率限制。不幸的是，使用激光二極管不容易控制

獨自的。請注意，僅具有多個峰的光譜是不夠的，相隔數千兆赫；應該避免任何波長的任何高功率譜密度。超發光二極管在這方面會更好，但它的峰值功率更低。

? 最后，受激拉曼散射(SRS) 可能會出現問題。如果拉曼增益超過大約 40 dB，則大量功率將傳輸到更長波長的組件，通常相對于信號波長偏移數十納米。通常，如果模式面積相對較大，則該問題始于幾米光纖上大約 100 kW 的峰值功率。

具有較大模式面積的光纖有助于提高所有這些限制，但自聚焦限制除外。不幸的是，實際上可實現的模式區域存在限制，因為最終會遇到太弱的引導，并且對彎曲損耗和光纖缺陷過于敏感。

增益飽和帶來的限制

在將脈沖放大到高能量時，我們還需要考慮增益飽和。對于具有小模式面積的放大器光纖，增益的飽和能量通常在幾十微焦的數量級。對于大模式區域，可以將其推至數百微焦耳。然而，放大脈沖的理想能量通常更高，這會導致嚴重的增益飽和效應：放大器增益在脈沖期間大幅下降。由于該增益會強烈影響輸出功率，因此脈沖形狀可能會嚴重失真。圖 1 顯示了一個示例情況，其中輸出脈沖能量為 112 μJ，增益飽和能量為 32 μJ。

圖 1： 摻鐿光纖放大器中的輸出功率和鐿激發與時間的關系。點劃線曲線顯示了在沒有增益飽和的假設情況下的輸出功率。實際上，由于增益在放大期間下降，因此獲得了較低失真的脈沖。

另一方面，如果我們想用單個脈沖提取大部分存儲的能量，當然必須在強增益飽和狀態下操作。為了有效提取，放大器輸入端的增益飽和應該已經很強。放大器系統的最終放大器級通常會出現這種情況。對于該方案，一種設計為相對較低的增益，但大量的脈沖失真仍然是不可避免的。請注意，與矩形形狀相比，對于形狀更平滑的脈沖（例如，具有高斯形狀的脈沖），這些不太明顯且問題較少。

示例：用于納秒脈沖的 Yb 摻雜放大器

作為各種限制的數值示例，我們可以考慮在 1060 nm 處具有 100 mW 峰值功率的超高斯（接近矩形）100 ns 脈沖的雙級 Yb 摻雜放大器。種子脈沖能量為 10 nJ。

第一放大級有一根小模面積為 80 μm 2的光纖，因此我們可以在 500 mW 的低泵浦功率下獲得高增益，這可以從通常的光纖耦合激光二極管中獲得。種子脈沖可以放大到 4.5 μJ 的能量，遠低于 52 μJ 的飽和能量。在這些功率水平上，光纖非線性也不是問題。因此，脈沖失真很弱，并且在低脈沖重復率下功率效率較低——這對于低功率前置放大器通常無關緊要。順便說一句，該前置放大器的可實現增益受 ASE 限制，對于較短的信號波長（例如 1030 nm）可能更高。

對于第二階段，使用具有四倍大模式面積的雙包層光纖（見第 6 部分），因為知道增益飽和會很強，并且該階段不需要高增益效率。在反向泵浦功率為 5 W 的情況下，我們獲得了 32 dB 的小信號，同樣受 ASE 限制。由于核心稍微多模，ASE得到了增強。

如果兩個階段之間沒有任何濾波器，來自階段 1 的前向 ASE 將充當階段 2 中 ASE 的種子。這將使階段 2 中的 ASE 非常強大，我們永遠無法在那里實現 32-dB 增益。為了解決這個問題，我們必須濾除級間的大部分 ASE，使用帶寬為 5 nm 或更小的帶通濾波器。此外，我們使用了一個法拉第隔離器，它可以防止任何 ASE 從第 2 級轉移到第 1 級，并提供一些防止背反射光的保護。

現在我們來看看兩個放大器級中輸出功率和 Yb 激勵的時間演變（圖 2）。正如人們所預料的那樣，第二階段的增益飽和很強，因為脈沖能量達到 710 μJ，遠高于 206 μJ 的增益飽和能量。實際上我們希望處于這種狀態，以便有效地提取高能量。

圖 2： 兩個放大器級的輸出功率與時間的關系。盡管增益飽和能量較高，但增益飽和在階段 1 中較弱，但在階段 2 中較強。

根據與時間相關的光功率，可以計算出第 2 階段的峰值拉曼增益，發現它為 30 dB。這仍處于可接受的水平，不會對效率產生實質性影響。然而，如果我們使用正向而不是反向泵浦，拉曼增益會變得更高，因為如果輸入光纖端的增益更高，脈沖能量會更早地在光纖中上升到高水平。

先前提出的結果是基于我們在脈沖放大之前長時間泵送兩個階段（幾倍于≈1 ms的上態壽命）的假設。（在放大很少的脈沖后已經達到穩定狀態。）圖 3 顯示了重復頻率為 10 kHz 的脈沖放大穩定狀態下的時間相關功率。然后增益飽和到較低的水平，特別是在第 2 階段。脈沖失真現在較弱，拉曼增益要低得多。通過 ASE（未顯示）的功率損耗也變得非常微弱。

圖 3： 與圖 2 相同，但以 10 kHz 重復操作。

如果我們將輸入信號功率加倍，那將幾乎使第一級放大器的輸出加倍，因為那里的飽和度很弱。盡管如此，第 2 級的最終輸出只會從 344 μJ 上升到 359 μJ；無論如何，它已經非常強烈地飽和了。然而，存在第一級強烈飽和的其他情況，因此即使第二級尚未飽和，更強的信號輸入也無濟于事。

如果種子源的脈沖形狀可以用合適的二極管驅動器電子設備控制，則可以優化輸入脈沖形狀，從而實現所需的輸出脈沖形狀。例如，人們可能想要獲得矩形脈沖，即在一段時間內具有近似恒定的功率。這些功能也是此類放大器系統所特有的；使用調Q激光器是不可能的。

脈沖泵送？

對于高能體放大器，通常使用脈沖泵浦。在這里，泵浦能量在待放大的脈沖被注入之前不久被傳遞。這樣，通過自發發射和 ASE 以及熱效應（如熱透鏡效應）將能量損失降至最低。

對于光纖放大器，很少使用脈沖泵浦。這本質上是因為脈沖能量受到其他因素的限制，例如非線性效應，而這些因素不能通過脈沖泵浦來減輕。使用光纖放大器主要是為了獲得更高的脈沖重復率，通常遠高于逆上態壽命，而脈沖泵浦實際上并沒有任何顯著優勢。

結論

我們已經看到，脈沖光纖放大器系統可以成為 Q 開關體激光器的有趣替代品，因為它們允許各種有趣的功能。然而，同樣清楚的是，這種系統的開發要復雜得多。人們必須處理許多可能的問題，例如增益飽和、ASE 和光纖非線性。在沒有基于數值模擬的徹底調查的情況下嘗試這樣的開發可能會失敗，或者至少效率非常低，并且不會導致最佳性能。