抑制放大自发辐射的铒镱共掺光纤放大器设计方法及装置
本发明属于光纤激光器，特别是涉及一种抑制放大自发辐射的铒镱共掺光纤放大器设计方法及装置。
背景技术：
1、高功率铒镱共掺光纤激光器具有光束质量好，热管理方便，广泛应用在空间光通信、激光雷达等领域中。在铒镱共掺光纤中，掺杂的镱离子不仅可以作为敏化剂，抑制铒离子的团簇效应，还可以提升光纤对泵浦光的吸收能力。泵浦光能量首先被镱离子吸收，随后通过镱铒离子之间的交叉弛豫作用传递给铒离子，实现1.5微米波段激光放大的效果。然而，随着泵浦功率的增加，镱离子迅速被激发，部分受激的镱离子通过交叉弛豫效应将能量传递给基态的铒离子，进而放大信号光。与此同时，剩余的受激镱离子会自发辐射，并不断被放大，形成1微米波段的放大自发辐射，最终可能引发寄生震荡或产生巨脉冲，从而损坏激光器系统，成为高功率铒镱共掺光纤激光器功率进一步提升的主要的限制因素之一。
2、目前，国内外针对铒镱共掺光纤放大器中的放大自发辐射问题提出了多种抑制方法：一是通过1064/1550 nm波分复用器引入1微米波段辅助激光，使镱离子发射波段形成受控振荡，从而抑制不稳定的放大自发辐射；二是采用1480 nm拉曼光纤激光器作为泵浦源，避免或减弱镱离子的吸收与发射过程；三是采用偏离976 nm吸收峰的非峰值泵浦方案，使泵浦光在增益光纤中更加均匀吸收，降低局部激发态镱离子的积累。然而，引入辅助激光或拉曼泵浦源会增加系统复杂度和成本；采用非峰值泵浦方式通常需要增加增益光纤长度，不利于高功率放大器中的非线性效应管理。此外，现有方法多从泵浦方式或外部结构入手，缺少对铒镱共掺增益光纤内部放大自发辐射空间分布及其演化规律的定量分析，难以根据放大器内部放大自发辐射的实际演化特征，对抑制方案的作用位置、抑制深度、滤除带宽及系统参数进行协同设计。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种抑制放大自发辐射的铒镱共掺光纤放大器设计方法及装置。
2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：
3、一方面，提供一种抑制放大自发辐射的铒镱共掺光纤放大器设计方法，包括以下步骤：
4、确定待优化设计的铒镱共掺光纤放大器，输入铒镱共掺光纤放大器的工作参数以及铒镱共掺增益光纤的基础参数；
5、基于铒镱共掺光纤放大器的工作参数以及铒镱共掺增益光纤的基础参数建立铒镱共掺光纤放大器的稳态速率方程和含损耗功率传输方程，计算泵浦光、信号光、放大自发辐射光在铒镱共掺增益光纤中的轴向功率分布和放大自发辐射光在增益光纤上的光谱分布，其中含损耗功率传输方程中引入放大自发辐射抑制单元，将所述放大自发辐射抑制单元等效为作用于预设波段的损耗，所述放大自发辐射抑制单元的设计参数至少包括作用位置、抑制深度、滤除中心波长、滤除带宽中的一种或多种；
6、对所述放大自发辐射抑制单元的设计参数进行参数扫描，并在每一组设计参数下重新求解铒镱共掺光纤放大器的稳态速率方程和含损耗功率传输方程，获得对应的信号光输出功率、放大自发辐射输出功率、泵浦转换效率和放大器光谱特性；
7、基于所获得的信号光输出功率、放大自发辐射输出功率、泵浦转换效率和放大器光谱特性，并以提高信号光输出功率、降低放大自发辐射功率、提高泵浦转换效率以及输出光谱质量为目标，确定放大自发辐射抑制单元的优化设计参数。
8、进一步地，所述铒镱共掺光纤放大器的工作参数包括信号光波长、信号光线宽、种子光功率、目标输出功率、泵浦光波长和泵浦方式；铒镱共掺增益光纤的基础参数包括光纤纤芯直径、包层直径、数值孔径、光纤长度、铒离子和镱离子掺杂浓度、泵浦波段及信号波段的吸收截面和发射截面、能级寿命、能量转移系数、上转换系数以及光纤本征损耗。
9、另一方面，提供一种抑制放大自发辐射的铒镱共掺光纤放大器设计装置，用于实现上述设计方法，包括：
10、参数输入模块，用于确定待优化设计的铒镱共掺光纤放大器，输入铒镱共掺光纤放大器的工作参数以及铒镱共掺增益光纤的基础参数；
11、方程建立和求解模块，用于基于铒镱共掺光纤放大器的工作参数以及铒镱共掺增益光纤的基础参数建立铒镱共掺光纤放大器的稳态速率方程和含损耗功率传输方程，计算泵浦光、信号光、放大自发辐射光在铒镱共掺增益光纤中的轴向功率分布和放大自发辐射光在增益光纤上的光谱分布，其中含损耗功率传输方程中引入放大自发辐射抑制单元，将所述放大自发辐射抑制单元等效为作用于预设波段的损耗，所述放大自发辐射抑制单元的设计参数至少包括作用位置、抑制深度、滤除中心波长、滤除带宽中的一种或多种；
12、参数扫描与计算模块，用于对所述放大自发辐射抑制单元的设计参数进行参数扫描，并在每一组设计参数下重新求解铒镱共掺光纤放大器的稳态速率方程和含损耗功率传输方程，获得对应的信号光输出功率、放大自发辐射输出功率、泵浦转换效率和放大器光谱特性；
13、优化输出模块，用于基于所获得的信号光输出功率、放大自发辐射输出功率、泵浦转换效率和放大器光谱特性，以提高信号光输出功率、降低放大自发辐射功率为目标，确定放大自发辐射抑制单元的优化设计参数。
14、本发明还提供一种铒镱共掺光纤放大器，基于上述设计方法设计得到放大自发辐射抑制单元的优化设计参数，根据放大自发辐射抑制单元的优化设计参数选择对应的放大自发辐射抑制单元，并将放大自发辐射抑制单元设置于铒镱共掺光纤放大器中铒镱共掺光纤长度方向的对应作用位置。
15、另一方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述抑制放大自发辐射的铒镱共掺光纤放大器设计方法的步骤。
16、另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述抑制放大自发辐射的铒镱共掺光纤放大器设计方法的步骤。
17、另一方面，本发明提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品存储在计算机可读存储介质上，并且包括计算机指令，所述计算机指令在由处理器运行时使得计算机设备实现上述抑制放大自发辐射的铒镱共掺光纤放大器设计方法的步骤。
18、相对于现有技术，本发明能够获得的有益效果，如下：
19、本发明提出的抑制放大自发辐射的铒镱共掺光纤放大器设计方法，通过基于铒镱共掺光纤放大器的工作参数以及铒镱共掺增益光纤的基础参数建立铒镱共掺光纤放大器的稳态速率方程和含损耗功率传输方程，通过仿真模型获取泵浦光、信号光、放大自发辐射光在铒镱共掺增益光纤中的轴向功率分布和放大自发辐射光在增益光纤上的光谱分布。进一步计算放大自发辐射抑制单元不同插入位置对最终输出端放大自发辐射功率和信号输出特性的影响，并以放大自发辐射光抑制效果、信号光输出功率为评价指标，具体地以提高信号光输出功率、降低放大自发辐射功率为优化目标，优化放大自发辐射抑制单元的设计参数，包括放大自发辐射抑制单元的作用位置、抑制深度、滤除带宽等至少一种关键参数，最终输出优化后的放大自发辐射抑制单元的设计参数。根据放大自发辐射抑制单元的优化后的设计参数选择对应的放大自发辐射抑制单元，并将放大自发辐射抑制单元设置于铒镱共掺光纤放大器中铒镱共掺光纤长度方向的对应作用位置，从而形成面向高功率铒镱共掺光纤放大器的定量化、精细化的放大自发辐射抑制设计方案。
20、本发明基于铒镱共掺光纤放大器的稳态速率方程和含损耗功率传输方程，能够获得泵浦光、信号光及放大自发辐射在增益光纤中的轴向分布和光谱分布，并进一步优化放大自发辐射抑制单元的作用位置、抑制深度、滤除中心波长及带宽等关键参数。因而，本发明具有适用范围广、参数设计定量化、对具体器件形式依赖小、可兼顾信号输出功率提升与放大自发辐射抑制效果、可降低实验试错成本并提高高功率放大器工程设计效率等优点。