面向前沿应用的新型全石英光纤分布式布拉格反射单频激光器研究

发布时间：2020-05-05 16:22

【摘要】：作为人类科技进步的重要见证者,激光器从诞生伊始就始终参与到前沿应用之中。从世界上最精密的干涉仪“LIGO”到世界上最精准的钟“锶原子光晶格钟”,这些前沿应用中更是不乏单频激光器的身影。作为线宽最窄,噪声最低的一种激光器,单频光纤激光器更是在激光雷达,原子分子物理,太赫兹产生,微波光子学,量子光学,相干通信等前沿领域具有十分重要的应用价值。不同的应用领域对单频光纤激光器提出了各自独特的性能指标要求,比如激光雷达领域多需要脉冲形式输出的单频光纤激光器,对于单频线宽的要求相对较低;引力波探测以及原子分子物理领域往往对单频激光的线宽和噪声要求更高,但并不需要脉冲输出;太赫兹以及微波光子学领域则更在意不同波长单频之间的相位关系。目前主流的商业化单频光纤激光器多采用分布式布拉格反射(distributed Bragg reflector,DBR)结构和分布式反馈(distributed feedback,DFB)结构,这两类单频光纤激光器结构紧凑,可以实现稳定的kHz线宽单频激光输出。但商用产品提供的功能和参数相对单一,很难同时满足复杂多样的应用需求。本课题致力于研究更加通用可靠的单频光纤激光器,以满足不同的前沿应用需求。DBR结构的单频光纤激光器具有结构更简单,通用性更好,能量转换效率更高等特点,因此采用该结构来实现单频光纤激光器。相较于商用DBR单频光纤激光器中采用特殊的高掺杂,低熔点的软玻璃作为增益介质,本文主要采用商用石英掺杂光纤作为增益介质,尽管可能会出现自脉冲以及增益不足等问题,但是该光纤不存在软玻璃光纤与石英光纤熔接温度不同的问题,并且可从市场中购得,因此全石英结构的DBR单频光纤激光器机械稳定性和热稳定性更佳,环境适应性更好,实现方式更简便。在此基础之上,本文又分别对低噪声,脉冲以及双波长单频光纤激光器进行研究,以满足不同前沿领域的应用需求。本论文的具体研究工作主要分为以下几个方面:1.DBR单频光纤激光器理论分析及核心器件设计制备分析不同掺杂粒子在石英光纤中的谱线特性,选择合适的增益光纤以及泵浦方式,实现尽可能高的增益。通过对自脉冲的起源分析可知,驰豫振荡在其中扮演十分重要的作用。建立速率方程求解驰豫振荡过程中光子数随时间的变化关系,对比关系式中各类参数可知,提高腔内光子寿命以及泵浦功率可以抑制驰豫振荡的强度,从根本上抑制自脉冲产生。针对这一结论,利用光纤光栅反射光谱仿真模型,在保证单纵模运转的情况下,可模拟出用于输出耦合的光纤光栅反射率最高为85%~90%,结合反射率为99%的高反光纤光栅,可在最大程度上抑制自脉冲的发生,实现稳定连续的单频光纤激光器。2.应用于引力波探测的全石英光纤连续DBR单频激光器采用优化参数后制备的不同波段的光纤光栅,最终分别实现了1μm,1.5μm以及2μm波段稳定连续的单频光纤激光器,所有波段的单频光纤激光器均未出现自脉冲现象,这也在实验上证实了以上结论。不同波段的单频光纤激光器中采用的增益光纤均为普通商用石英掺杂光纤,尽管增益相对较低,但是结合自主刻写的低损耗光纤光栅,依然可实现激光发射,所有波段的单频线宽均小于10kHz。与国外课题组合作,研发用于新一代引力波探测的高功率2μm单频光纤激光器样机,已在实验室条件下实现了160W的单频激光输出,线宽小于10kHz,并在国外搭建起一套5W的2μm单频光纤激光器用于前期的测试。3.应用于高精度探测的高功率低噪声单频光纤激光器分析单频光纤激光器强度噪声,频率噪声的来源与特性,利用无源光学反馈回路对已有的单频光纤激光器强度噪声,频率噪声进行抑制,压缩激光线宽。其中相对强度噪声的驰豫振荡强度从-99.9dB/Hz@993kHz降低至-119.4dB/Hz@192kHz,频率噪声强度在10kHz到100kHz范围内降低了30dB,激光线宽从3.96kHz压缩至540Hz。在经光纤放大器放大至10W后,强度噪声,频率噪声没有明显升高,激光线宽依然小于1kHz。4.应用于激光雷达的一体化增益开关单频光纤激光器利用增益开关技术实现重频可调的一体化脉冲单频光纤激光器。采用电调制的975nm单模半导体激光器作为泵浦源,输出泵浦同时具有脉冲成分和直流成分,直流部分的功率略低于激光器阈值,以此来减少对脉冲泵浦能量的要求,因此该激光器可以实现低泵浦功率下的脉冲单频激光输出,输出脉宽150ns,激光线宽14MHz,依据外部触发信号可实现重频从10kHz到400kHz调谐。5.应用于高频微波产生的保偏双波长单频光纤激光器采用保偏叠印光纤布拉格光栅作为双波长选择器件,可在同一光纤激光器中同时输出双波长单频激光。两个纵模具有相同的偏振态,偏振消光比大于20dB,两者的光谱强度相同,光谱信噪比大于60dB。在同一谐振腔内经历相同的路径和光程,两个纵模将具有很好的相干性以及相同的噪声成分,拍频过程中相同的噪声成分会被抵消,由此产生低相位噪声和高稳定性的微波信号,微波信号的中心频率为28.4474GHz,频谱信噪比高于65dB,频谱信号线宽500Hz,一个小时内频率波动的标准偏差为58.592 kHz。
【图文】：

示意图,单频光纤激光器,示意图,光谱线宽

图 1-1 DBR 单频光纤激光器示意图[36]Fig.1-1 Schematic setup of DBR single-frequency fiber laser[36]1991 年美国联合技术研究中心的 Ball 等人[37]利用一对光纤布拉格光栅（FBG）和一段 0.5m 长掺 Er3+增益光纤，首次实现了 DBR 结构的光纤单频激光输出，其中输出中心波长 1548 nm，输出功率 5mw，光谱线宽 47kHz。2004 年美国 NP Photonics 公司的 Spiegelberg 等人[38]采用铒镱共掺磷酸盐光纤与一对高低反布拉格光纤光栅组成的 DBR 激光器，如图 1-2 所示，实现了中心波长为 1550nm 的激光输出，采用负反馈装置，在 1MHz 频率处的相对强度噪声实现了 20dB 的抑制，降低至-130dB/Hz，最大输出功率 100mw，，光谱线宽小于 2kHz。

装置图,单频光纤激光器,装置图

图 1-1 DBR 单频光纤激光器示意图[36] Schematic setup of DBR single-frequency fib技术研究中心的 Ball 等人[37]利用一对+增益光纤，首次实现了 DBR 结构的8 nm，输出功率 5mw，光谱线宽 47k Photonics 公司的 Spiegelberg 等人[38]采格光纤光栅组成的 DBR 激光器，如图激光输出，采用负反馈装置，在 1MH制，降低至-130dB/Hz，最大输出功率
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】