高功率掺Tm 3+ 光纤放大器热效应管理的泵浦方式优化理论研究

发布时间：2020-12-20 19:43

　　基于主振荡功率放大器结构的高功率掺Tm³⁺光纤激光器是2μm波段高功率光纤激光器的主要实现形式,掺Tm³⁺光纤放大器（Thulium-doped fiber amplifier,TDFA）热效应管理的研究对于其输出激光功率的不断提升具有重要意义。本文主要对TDFA热效应管理的泵浦方式优化方面进行理论研究,利用龙格库塔法以及牛顿迭代法求解不同泵浦方式下TDFA的稳态速率方程,并根据热传导方程,模拟掺Tm³⁺光纤（Thulium-doped fiber,TDF）温度沿径向和轴向的分布。结合遗传算法理论,研究了分段泵浦方式,经过参数优化,在功率为5 W的2 020 nm输入信号光、总功率为1 000 W的793 nm激光泵浦、TDF吸收系数为3.1 dB/m条件下,将总长度为11 m的TDF分为2.4,2,2,2,2.6 m的5段进行泵浦,得到放大信号激光输出功率为284.5 W、斜率效率为28.45%、光纤外包层边界最高温度为86.28℃且温度总体分布均匀。与传统前向泵浦、双端泵浦方式下的TDFA相比,其热效应有明显改善。 

【文章来源】：发光学报. 2020年07期 北大核心

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

3H6→3H4能级跃迁示意图

其中,P+pm(0)、P-pm(L)、P+sm(0)、P-sm(L)分别为第m段的前、后向泵浦光与信号光功率。p+m和p-m分别是第m段前、后向注入泵浦光功率,μ为泵浦点泵浦光的泄露比率,取0.123;η为前、后向激光在经过泵浦点时的损耗比率,取0.01;下标m表示相应的光纤段序数。2.2 温度分布和理论模型

基于表1中的参数,对于TDFA,图3给出了前向泵浦方式下,泵浦功率为1 000 W、信号光功率为5 W、纤芯掺杂浓度N=2.5×1026 m-3时光纤径向温度分布以及光纤外包层边界(r=200 μm)处温度沿光纤轴向的分布情况。从图3(a)中可以看出,TDF中纤芯与外包层外侧处温差为20 ℃,而纤芯与外包层外侧正常工作所允许的最高温度分别为700 ℃与200 ℃,故外包层外侧的温度为主要的限制因素。从图3(b)中可以看出,泵浦端的外包层外侧温度为693.21 ℃,远高于200 ℃,所以在高功率TDFA中需要进行热管理。3 分段泵浦仿真分析与优化

【参考文献】：
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本文编号：2928437