光纖放大器的教程包含以下十個(gè)部分： h{>8W0W*  
1、光纖中的稀土離子 9BHl2<&V  
2、增益和泵浦吸收 L18Olu  
3、穩(wěn)態(tài)的自洽解 WXGLo;+>I  
4、放大的自發(fā)發(fā)射 i%-c/ lop  
5、正向和反向泵浦 hp[8.Z$7  
6、用于大功率操作的雙包層光纖 TNiFl hq  
7、納秒脈沖光纖放大器 +fKL

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8、超短脈沖光纖放大器 !f"@pR6  
9、光纖放大器噪聲 h`jtmhoz  
10、多級(jí)光纖放大器 rsiG]o=8  
接下來(lái)是Paschotta 博士關(guān)于光纖放大器教程的第1部分： jQ`cfE$sV  
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有源光纖是一種既能導(dǎo)光又能提供激光放大的光纖。為此，將一些稀土離子摻入纖維芯中。（我們關(guān)于光纖制造的百科全書文章講述了如何做到這一點(diǎn)。）基本操作原理很容易理解： oBIKtS*L  
• 如果將一些泵浦光（通常波長(zhǎng)比要傳輸?shù)男盘?hào)短）注入光纖，則該泵浦光會(huì)被激光活性離子吸收。這些被激發(fā)成一些亞穩(wěn)態(tài)，即具有相對(duì)較長(zhǎng)的上態(tài)壽命的激發(fā)電子能級(jí)。
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• 受激離子現(xiàn)在可以通過(guò)受激發(fā)射放大信號(hào)光：信號(hào)光將離子降低到較低水平（通常是基態(tài)歧管）并帶走激發(fā)能量。 o'Po<I  
重要的是，受激發(fā)射總是進(jìn)入導(dǎo)致它的光的相同模式。因此，我們真正得到了信號(hào)光的放大，而不僅僅是增強(qiáng)了向各個(gè)方向的熒光。 r)h+pga5^E  
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鉺離子 &o)j@5Y?  
作為一個(gè)重要的例子，考慮使用三價(jià)鉺離子 (Er 3+ )可以做什么，正如在摻鉺光纖放大器中所使用的那樣。 6B|IbQ^  
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圖 1 顯示了這些離子的Stark 能級(jí)流形以及它們之間的一些重要躍遷。目前，我們將這些 Stark 能級(jí)流形視為簡(jiǎn)單的能級(jí)，盡管稍后我們將不得不重新考慮這一點(diǎn)。為簡(jiǎn)單起見，讓我們從底部數(shù)水平流形；例如，讓我們將級(jí)別4 I 13/2簡(jiǎn)單地表示為級(jí)別 2。 j63w(Jv/  
2級(jí)到1級(jí)的躍遷可作為激光躍遷，用于放大1.5-μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，常用于光纖通信。使用的泵浦光通常具有接近 980 nm 的波長(zhǎng)。這實(shí)際上將離子從基態(tài)（1 級(jí)）泵入到 3 級(jí)。從那里，玻璃纖維中的離子迅速衰減到 2 級(jí)。在最常用的二氧化硅纖維（更準(zhǔn)確地說(shuō)，是具有二氧化硅基材料的纖維）中，這是主要不是由于 2.9 μm 附近的光發(fā)射，而是由于更快的多聲子躍遷，即通過(guò)發(fā)射多個(gè)聲子（晶格振動(dòng)的量子）。上層激光能級(jí)（2 級(jí)）壽命很長(zhǎng)，具有上能級(jí)壽命大約 10 毫秒。當(dāng)離子通過(guò)自發(fā)或受激發(fā)射再次下降到基態(tài)歧管（1 級(jí)）時(shí)，它可以再次被泵送。 B;_M52-B  
由于非輻射躍遷3 → 2 相當(dāng)快，因此模型中使用的水平方案通�？梢院�(jiǎn)化。假設(shè)所提到的轉(zhuǎn)變根本不需要時(shí)間——結(jié)果是任何時(shí)候一個(gè)離子只能處于 2 級(jí)或 1 級(jí)。在這里，我們也忽略了可能激發(fā)到更高能級(jí)，例如通過(guò)能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，如果鉺濃度足夠低，或者通過(guò)激發(fā)態(tài)吸收，則它們很弱，這對(duì)于通常使用的泵浦波長(zhǎng)不會(huì)發(fā)生。 yPuT%H&i  
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帶內(nèi)泵送 T4w`I;&v  
除了在 980 nm 處泵浦，我們還可以使用 1.45 μm 左右的泵浦源，將離子直接置于 2 級(jí)；這稱為帶內(nèi)抽運(yùn)。 v')T^b F@  
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好吧，教科書會(huì)告訴你，激光放大不可能用兩能級(jí)系統(tǒng)，因?yàn)楸闷植ㄒ矔?huì)引起受激發(fā)射，無(wú)法達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這原則上是正確的，但不適用于我們的案例，因?yàn)槲覀兲幚淼牟皇钦嬲�的能�?jí)，而是斯塔克能級(jí)流形，每個(gè)流形都由多個(gè)子能級(jí)組成。它們的能量略有不同，具體取決于局部電場(chǎng)。非晶玻璃材料中的不同離子看到不同的場(chǎng)，總體上我們有一種“涂抹”的能級(jí)能量分布，如圖 2 中的灰條所示。 G9^!= v@  
現(xiàn)在這里發(fā)生的是泵浦波，其波長(zhǎng)比信號(hào)波稍短（因此光子能量更高），最好將離子泵入歧管 2 的更高子級(jí)。在每個(gè)歧管內(nèi)，有一個(gè)非�？斓臒峄�（在皮秒內(nèi)），因此在低溫（如室溫）下，大多數(shù)離子將始終處于較低的子能級(jí)，泵浦光無(wú)法再?gòu)哪抢锏竭_(dá)它們。因此，泵浦波的受激發(fā)射很弱。然而，波長(zhǎng)稍長(zhǎng)的信號(hào)光對(duì)受激發(fā)射更有效。反過(guò)來(lái)，它的吸收效果較差，因?yàn)槲�收具有低光子能量將需要歧�?1 的較高子能級(jí)中的離子，這些離子在低溫下也只是微弱地填充。 uvZ|6cM  
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導(dǎo)致簡(jiǎn)單模型的有效過(guò)渡橫截面 >'E'Mp.  
這部分有點(diǎn)技術(shù)性。如果您對(duì)了解物理細(xì)節(jié)以及如何計(jì)算光纖放大器的行為不感興趣，您可以跳過(guò)接下來(lái)的幾段并繼續(xù)閱讀圖 4 附近的內(nèi)容。 i wK,XnIR  
查看光譜細(xì)節(jié)，人們可能會(huì)覺得情況非常復(fù)雜：我們有一個(gè)實(shí)際能級(jí)（每個(gè)流形的子能級(jí)）的統(tǒng)計(jì)分布，對(duì)于任何光波長(zhǎng)，多個(gè)子能級(jí)之間的躍遷可以發(fā)生。很難找出我們玻璃中能級(jí)的統(tǒng)計(jì)分布以及每對(duì)子能級(jí)的波長(zhǎng)相關(guān)躍遷截面。那么我們應(yīng)該如何設(shè)法對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模呢？ K]Ed-Tz8QZ  
幸運(yùn)的是，事實(shí)證明它比看起來(lái)要簡(jiǎn)單得多。我們可以如下進(jìn)行： iQs(Dh=*  
• 我們不關(guān)心離子的確切位置，而只關(guān)心兩個(gè)斯塔克能級(jí)流形的總?cè)丝�。由于歧管�?nèi)的快速熱化，我們基本上總是在不同的子水平上具有明確定義的離子分布（玻爾茲曼分布）。（僅在某些具有強(qiáng)烈超短脈沖的極端情況下，可能與該假設(shè)存在顯著偏差。）因此，我們無(wú)需考慮額外的自由變量。 J Wof<D,  
• 例如，如果我們現(xiàn)在將離子暴露在某個(gè)波長(zhǎng)的光下，我們?cè)僖淮尾辉诤跛鼈兪侨绾螠?zhǔn)確地（通過(guò)哪些子能級(jí)躍遷）從歧管 1 泵送到歧管 2 的。我們只會(huì)得到一些整體躍遷率，它與光強(qiáng)I和歧管 1 中的離子密度成正比。在這里，作為比例常數(shù)，我們使用有效橫截面σ ₁₂，它當(dāng)然取決于波長(zhǎng)（光子能量）： )I`B+c: