适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器及其放大方法与流程

本发明涉及激光技术领域，具体地，涉及一种适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器及其放大方法。

背景技术：

作为空间激光应用的主要方向之一，卫星激光通信对空间激光技术和激光放大技术提出了高效率、大功率、长寿命等使用要求。与此同时，光纤激光放大技术具有能量转换效率高、激光阈值低、光束质量优良、适用寿命长等等优点，是未来空间激光应用的重要方向之一。

目前已有的阳光泵浦激光放大技术和光纤激光放大技术，主要为针对某单一波长激光的放大输出，其原理是基于光的受激辐射光放大实现在泵浦条件下的激光功率(或能量)放大。掺钕钇铝石榴石(nd:yag)因其增益高、热特性好而成为最常用的阳光泵浦激光放大器的固体激光工作物质，主要放大激光波长为1065nm。在1065nm波段，最常用的光纤激光放大器的激光工作物质为掺镱(yb³⁺)石英光纤。

然而，目前的阳光泵浦激光放大器和光纤激光放大器多是工作在单一波长放大的状态，多个波长同时放大的阳光泵浦光纤激光放大器尚未有相关研究。在激光通信领域，多波长输出是通信系统实现波分复用的关键。在现有基于阳光泵浦激光放大器的空间激光通信系统方案设计中，多个不同波长的激光作为载波源通过光纤分别耦合进入对应调制系统，利用调制器将目标电信号分别加载至不同波长的激光束上，利用波分复用技术实现高速率激光通信。但目前阳光泵浦激光放大器只是针对1065nm波长，单一激光波长放大只能实现一路信号的调制与传输，大大限制了系统的通信速率，不能充分体现光通信系统的速率优势。

因此，有必要设计一种能够提高空间通信系统的工作效率、通过增加空间通信系统载波源波长的数量、利用阳光泵浦光纤激光放大技术和波分复用技术实现多波长分别调制同时放大、能够获得通信速率增长的适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种用于空间激光通信系统的阳光泵浦多波长光纤激光放大技术；本发明使用掺镱(yb³⁺)石英光纤工作物质构建阳光泵浦多波长激光放大器。基于阳光泵浦激光放大技术和光纤激光技术，在阳光泵浦的工作状态下(高于阈值功率)，10个不同波长的种籽激光通过光纤耦合器件进入处于粒子数反转状态的掺镱光纤工作物质发生受激辐射跃迁实现光功率(或能量)的放大。

根据本发明提供的一种适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器，包括掺镱(yb³⁺)光纤工作物质、光纤入射端口、光纤出射端口、泵浦太阳光和多波长种籽激光，

所述光纤入射端口与光纤出射端口位于同一直线上，所述掺镱(yb³⁺)光纤工作物质绕成环状结构设置在光纤入射端口和光纤出射端口之间，所述多波长种籽激光由不同波长的多束激光形成并位于光纤入射端口处，所述泵浦太阳光设置在光纤入射端口处并位于多波长种籽激光上方，

所述掺镱(yb³⁺)光纤工作物质、光纤入射端口、光纤出射端口、泵浦太阳光和多波长种籽激光相配合工作，使得所述多波长种籽激光能够完成多个不同波长激光的同时放大。

进一步地，所述空间阳光泵浦激光放大器在950-1075nm波段能对多波长激光进行放大。

相应地，本发明还提供了了一种适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器的放大方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将泵浦太阳光经光纤入射端口会聚至掺镱(yb³⁺)光纤工作物质；

步骤2，利用光纤合束手段将多波长种籽激光经光纤入射端口耦合至掺镱(yb³⁺)光纤工作物质的纤芯，多波长种籽激光在纤芯内行进；

步骤3，放大器系统内光纤工作物质的泵浦方式为包层泵浦，光纤的镀层为第二包层，第一包层具备太阳光波导的功能，泵浦太阳光被直接耦合至光纤内的第一包层；

步骤4，多波长种籽激光经合束后，耦合进入光纤掺杂yb³⁺的纤芯。

进一步地，所述步骤1是基于阳光泵浦激光技术，当泵浦太阳光功率密度达到泵浦阈值功率密度时，掺镱(yb³⁺)光纤工作物质内粒子从低能级被泵浦跃迁到高能级，实现粒子数反转。

进一步地，所述步骤2是利用光纤合束器将多路不同波长种籽激光耦合进入1掺镱(yb³⁺)光纤工作物质。

进一步地，所述步骤4是当多波长种籽激光通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，迫使高能级原子跃迁到低能级，释放的能量产生光辐射，受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向分别与入射种籽光的频率、相位、偏振态和传播方向相同。

进一步地，空间多波长载波光源为连续激光，光纤激光放大器的某一波长种籽激光增益公式可表示如下：

其中，g为放大器增益，pin为输入泵浦功率，a为种籽激光光斑横截面积，is为饱和光强，g0为小信号增益，

其中，饱和光强is定义为：

γ为单光子发射之后反转粒子数的净减少值，h为普朗克常数，v为光波的频率，σ为受激发射截面，τc为荧光寿命，激光增益介质掺yb³⁺光纤对应的γ＝1，则有：

g0＝exp(g0l)(3)

在输入能量较低的条件下，即g0pin＜＜ps，可以近似得到：

g≈g0＝exp(g0l)(4)

其中，g0为小信号增益系数，l为光纤激光增益介质的长度，

当系统处于小信号工作状态时，假设wpτc＜＜1，则有：

g0＝στcn0wp(5)

式中，n0表示基态粒子数密度，σ为受激发射截面，τc为荧光寿命，wp为泵浦速率，则n0wp表示单位时间单位体积从基态能级转移到激光上能级的粒子数，则有：

n0wp＝ηqn0w03(6)

式中，η0为量子效率，w03为从基态能级到激光上能级跃迁几率，

结合阳光泵浦光纤激光放大器系统中各环节能量传递效率，则有：

式中，rovp、ηt、ηa、ηu、ηb、pab分别表示光谱重叠效率、传输效率、吸收效率、上能级效率、光束交叠率和提取效率，pab表示系统接收太阳光功率，vl表示输出激光波长，h为普朗克常数，v为光波的频率，定义饱和光强is，有则小信号增益系数g0为

将上式带入公式(4)，可以得到阳光泵浦光纤激光放大器的增益g

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明的适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器，光纤工作物质的纤芯掺杂有稀土离子镱(yb³⁺)，掺yb³⁺光纤在950nm-1075nm波段有较为明显的发射光谱。利用这一光谱特性，当光纤工作物质在阳光泵浦条件下处于粒子数反转状态，且种籽光是由多个分立适当波长组合而成入射时，发生受激发射跃迁，从而实现多个波长种籽激光功率的同时放大；

(2)本发明的适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器，在激光放大器系统内，泵浦光激励激光工作物质，使工作物质中的粒子从低能态跃迁到高能态，即泵浦阳光辐射导致形成“粒子数反转”；适当频率光子(种籽光)在“反转的”工作物质上将促使高能级的粒子降落到低能级而发射出附加的光子，形成光波放大；这种放大器可应用于波分复用卫星光通信系统中，具有提高空间能量转换效率，提升空间信息传输速率的特点；

(3)本发明的适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器，这种阳光泵浦多波长光纤激光放大器可以应用于空间激光波分复用通信系统中，具有集成度高、空间体积小，能量利用效率高等特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为空间阳光泵浦多波长光纤激光放大器结构示意图。

其中，图中对应的附图标记为：1-掺镱(yb³⁺)光纤工作物质，2-光纤入射端口，3-光纤出射端口，4-泵浦太阳光，5-多波长种籽激光，其中对应波长值5(a)为1030nm，5(b)为1039nm，5(c)为1050nm，5(d)为1052nm，5(e)为1058nm，5(f)为1064nm，5(g)为1072nm，5(h)为1075nm。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本发明实施例提供了一种适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器，包括掺镱(yb³⁺)光纤工作物质、光纤入射端口、光纤出射端口、泵浦太阳光和多波长种籽激光，

所述光纤入射端口与光纤出射端口位于同一直线上，所述掺镱(yb³⁺)光纤工作物质绕成环状结构设置在光纤入射端口和光纤出射端口之间，所述多波长种籽激光由不同波长的多束激光形成并位于光纤入射端口处，所述泵浦太阳光设置在光纤入射端口处并位于多波长种籽激光上方，

所述掺镱(yb³⁺)光纤工作物质、光纤入射端口、光纤出射端口、泵浦太阳光和多波长种籽激光相配合工作，使得所述多波长种籽激光能够完成多个不同波长激光的同时放大。

进一步地，所述空间阳光泵浦激光放大器在950-1075nm波段能对多波长激光进行放大。

相应地，本发明还提供了一种适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器的放大方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将泵浦太阳光经光纤入射端口会聚至掺镱(yb³⁺)光纤工作物质；

步骤2，利用光纤合束手段将多波长种籽激光经光纤入射端口耦合至掺镱(yb³⁺)光纤工作物质的纤芯，多波长种籽激光在纤芯内行进；

步骤3，放大器系统内光纤工作物质的泵浦方式为包层泵浦，光纤的镀层为第二包层，第一包层具备太阳光波导的功能，泵浦太阳光被直接耦合至光纤内的第一包层；

步骤4，多波长种籽激光经合束后，耦合进入光纤掺杂yb³⁺的纤芯。

进一步地，所述步骤1是基于阳光泵浦激光技术，当泵浦太阳光功率密度达到泵浦阈值功率密度时，掺镱(yb³⁺)光纤工作物质内粒子从低能级被泵浦跃迁到高能级，实现粒子数反转。

进一步地，所述步骤2是利用光纤合束器将多路不同波长种籽激光耦合进入1掺镱(yb³⁺)光纤工作物质。

进一步地，所述步骤4是当多波长种籽激光通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，迫使高能级原子跃迁到低能级，释放的能量产生光辐射，受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向分别与入射种籽光的频率、相位、偏振态和传播方向相同。

在激光放大器系统内，泵浦光激励激光工作物质，使工作物质中的粒子从低能态跃迁到高能态，即泵浦阳光辐射导致形成“粒子数反转”；适当频率光子(种籽光)在“反转的”工作物质上将促使高能级的粒子降落到低能级而发射出附加光子，形成光波放大。

进一步地，空间多波长载波光源为连续激光，光纤激光放大器的某一波长种籽激光增益公式可表示如下：

其中，g为放大器增益，pin为输入泵浦功率，a为种籽激光光斑横截面积，is为饱和光强，g0为小信号增益，

其中，饱和光强is定义为：

γ为单光子发射之后反转粒子数的净减少值，h为普朗克常数，v为光波的频率，σ为受激发射截面，τc为荧光寿命，激光增益介质掺yb³⁺光纤对应的γ＝1，则有：

g0＝exp(g0l)(3)

在输入能量较低的条件下，即g0pin＜＜ps，可以近似得到：

g≈g0＝exp(g0l)(4)

其中，g0为小信号增益系数，l为光纤激光增益介质的长度，

当系统处于小信号工作状态时，假设wpτc＜＜1，则有：

g0＝στcn0wp(5)

式中，n0表示基态粒子数密度，σ为受激发射截面，τc为荧光寿命，wp为泵浦速率，则n0wp表示单位时间单位体积从基态能级转移到激光上能级的粒子数，则有：

n0wp＝ηqn0w03(6)

式中，ηq为量子效率，w03为从基态能级到激光上能级跃迁几率，

结合阳光泵浦光纤激光放大器系统中各环节能量传递效率，则有：

式中，ηovp、ηt、ηa、ηu、ηb、pab分别表示光谱重叠效率、传输效率、吸收效率、上能级效率、光束交叠率和提取效率，pab表示系统接收太阳光功率，vl表示输出激光波长，h为普朗克常数，v为光波的频率，定义饱和光强is，有则小信号增益系数g0为

将上式带入公式(4)，可以得到阳光泵浦光纤激光放大器的增益g

综上所述，本发明的适用于多个波长放大的阳光泵浦激光放大器，光纤工作物质的纤芯掺杂有稀土离子镱(yb³⁺)，掺yb³⁺光纤在950nm-1075nm波段有较为明显的发射光谱。利用这一光谱特性，当光纤工作物质在阳光泵浦条件下处于粒子数反转状态，且种籽光是由多个分立适当波长组合而成入射时，发生受激发射跃迁，从而实现多个波长种籽激光功率的同时放大；在激光放大器系统内，泵浦光激励激光工作物质，使工作物质中的粒子从低能态跃迁到高能态，即泵浦阳光辐射导致形成“粒子数反转”；适当频率光子(种籽光)在“反转的”工作物质上将促使高能级的粒子降落到低能级而发射出附加的光子，形成光波放大；这种放大器可应用于波分复用卫星光通信系统中，具有提高空间能量转换效率，提升空间信息传输速率的特点；这种阳光泵浦多波长光纤激光放大器可以应用于空间激光波分复用通信系统中，具有集成度高、空间体积小，能量利用效率高等特点。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。