光纤放大器
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教程既可以作为光纤放大器的介绍,也可以用于了解有关它们的更多详细信息。我们相信,即使是已经对光纤放大器有丰富经验的人,也会发现它有助于加深理解。重点是基础物理和由此产生的技术后果;我们不会简单地将光纤放大器视为“黑匣子”,而是深入了解内部。
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Jv D`RUh 图:简单的掺铒光纤放大器的示意图。
OJ}aN>k 我们不会深入到数学细节,而是尝试创建对操作原理的直观理解——通常通过用数值
模拟的示例案例展示某些效果。RP Photonics的
仿真和设计软件RP Fiber Power是用于此类目的的出色工具,并已广泛用于本教程。
a0cW=0l= 在这里,我们专注于包含一些
激光活性掺杂剂的活性光纤。有关光纤的基础知识,我们将在后续的教程中讲解。
NqN9 光纤放大器最重要的应用可能是光纤通信,即通过光纤传输数据。在长距离传输
系统中,需要周期性地恢复信号的光功率,例如每 50 公里的光纤。此外,还有一些放大器用于提高产生信号的低功率激光二极管的输出,尤其是在将信号分成许多光纤之前(例如,在有线电视 = CATV 中)。有时,在接收器之前使用放大器以获得更好的光电检测信噪比。完全不同的应用是在高功率激光系统中,其中光纤放大器将激光辐射提升到巨大的功率水平——通常用于连续波源,但也用于短波和超短脉冲源。本教程涵盖了所有此类应用程序的基础。
o6S`7uwJ*/ !)uXCg9U 01.第一部分:纤维中的稀土离子
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^o {C6 光纤中的铒或镱离子如何放大光?我们如何描述具有复杂 Stark 能级流形和有效跃迁截面的此类离子的行为?为什么有效过渡截面与温度有关?带内抽水如何工作?为什么纤维中的饱和效应通常非常强?
bpfSe `,6^eLU [&{NgUgu" 02.第二部分:如何描述光
4?~Ei[KgQn 如何从激发密度计算增益和泵吸收?为什么增益或损耗
光谱的形状通常取决于激发程度,例如在掺铒和掺镱光纤放大器中?
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#r 03.第三部分:稳定状态的自洽解决方案
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Zv| |8p 如何计算沿光纤的光功率和激发密度的自洽稳态解?什么情况下这么难?拍摄方法和放松方法有什么限制?
Nv\<>gA: DZX4c 2J 04.第四部分:放大的自发辐射
CIf""gL9 什么是放大自发发射 (ASE)?哪些因素会影响其强度?为什么 ASE 的功率和光谱形状强烈依赖于传播方向?为什么 ASE 经常限制可实现的放大器增益?
\J^xpR_0u f8L3+u M,N(be- 05.第五部分:向前和向后泵送
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6X 正向和反向抽吸的优点和问题是什么?在哪些情况下会影响功率转换效率或放大器噪声水平?
'8fh(` +F6R@@rWr 06.第六部分:用于大功率运行的双包层光纤
8j!(*'J. 包层泵送是如何工作的?为什么它会导致泵吸收不完全的问题,以及如何缓解这些问题?为什么双包层光纤很难进行短
波长操作?
x`p3I*_HT5 ps=QVX)YP 07.第七部分:纳秒脉冲光纤放大器
m{0u+obi&w 光纤放大器系统作为强光脉冲源的优点和局限性是什么?它们与 Q 开关体
激光器相比如何?哪些非线性会对短脉冲的放大造成麻烦?增益饱和何时会导致脉冲失真?
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08.第八部分:用于超短脉冲的光纤放大器
+4Lj}8, 超短(皮秒或飞秒)脉冲的放大会出现哪些额外问题?非线性和色散效应如何一起发挥作用?抛物线脉冲放大或啁啾脉冲放大 (CPA) 能在多大程度上缓解这些问题?
zy[|4Q(? s&qr2'F+z =|bW >y 09.第九部分:光纤放大器的噪声
pXHeUBY. 光纤放大器噪声的来源是什么?噪声系数是如何定义的?为什么准三电平放大器的噪声系数更高?在这方面,光纤放大器的前向泵浦如何更好?泵噪音的影响是否严重?
~7&O[ .s<tQU 2v\-xg%1 10.第十部分:多级光纤放大器
@EcY&mP) 出于什么原因,使用多个放大器级是有利的?有哪些方法可用于 ASE 抑制?如何最小化放大器噪声?
&8 4Izs/[ ]ch=D 接下来我们将会对以上的十个部分进行详细介绍,请持续关注