基于环形结构的单频掺镱光纤激光器研究

发布时间：2020-07-19 21:17

【摘要】：本论文针对具有环形结构的单频光纤激光器,主要包括环形滤波镜结构与环形腔结构,进行了理论和实验研究。具体研究内容如下:首先根据掺镱光纤的能级跃迁结构和速率方程,对掺镱光纤进行了数值计算仿真。在单频光纤激光器理论研究的基础上,计算了动态光栅的半高宽,提出采用环形滤波镜实现单频光纤激光器的技术方案,并对1064nm单频光纤激光器进行实验研究。本激光器实现的单频信号光波长为1063.9nm,饱和吸收光纤的最佳长度为8m,多纵模和单纵模振荡的斜率效率分别为7.7%和5.1%。泵浦功率为500mW时,单频最大输出功率为21.5mW,3h内信噪比波动性小于0.5dB。其次从光纤光栅(FBG)耦合波理论出发,建立了 FBG温度响应的数学模型。在实验上通过改变FBG的温度,调谐单频光纤激光器的出射波长:在30℃到200℃的范围内,出射中心波长漂移了 1.3nm,漂移系数为0.077nm/10℃。进而将环形滤波镜(LMF)放入-10℃到170℃的环境中,实验验证了激光波长不会随温度的改变而改变,稳定在1064.18nm。针对测量信号光的线宽,对延迟自外差法进行了理论推导,仿真了不同延迟时间下的功率谱密度函数;然后利用25km延迟光纤和100MHz声光移频器组成延迟自外差系统,测量了信号光的线宽,得到的信号线宽低于测试系统的分辨率。然后针对环形复合腔方案的单频光纤激光器,构建并测试了中心波长为1064.48nm,斜率效率为6.2%,最大输出功率为26.7mW的单频光纤激光器。通过对比实验证实了环形复合腔的优异选模能力,测得的信号光线宽小于10kHz。最后,针对马赫-泽德(M-Z)干涉腔结构,首先实验证实了 MZI的梳状响应光谱;然后将其应用于光纤激光器中,得到中心波长1064.32nm,斜率效率7.5%,最大输出功率为32.6mW的单频光纤激光器。通过频谱分析验证了 M-Z干涉腔的选模作用,测得信号光线宽小于10kHz,其功率稳定性测试波动小于0.2mW。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248
【图文】：

的线宽输出，ｌｎｍ的带通滤波器用于实现波长可调谐，并且首次使用分辨率为１．４ｋＨｚ逡逑的延迟自外差干涉仪测量线宽，由于７２ｋｍ延迟光纤的限制，最终测得的线宽就是干逡逑涉仪的分辨率极限。激光器结构如图１．３所示。逡逑７２邋ｋｍ邋ｄｅｌａｙ邋ｆｉｂｒｅ逡逑屋＾■逦司逡逑，＼逦ｆｓｐｅｃｔｒａｍ逡逑：ｒ邋ｄｏｐｅｃｌ邋ｅ「逦Ｉ逦ｌｏｎａｌｙｓｅｒｊ逡逑ｐａｎｄａ邋Ｖ邋ｒｊｎ逦逦逡逑ｆｉｂｒｅ逦ｌｉＪＪ逦ｉｓｏｉａｔｏｆ邋Ｖ逦ｏｐｔ＾ｃａｔ逡逑丁逦、逦ｓｐｅｃｔｒｕｍ逡逑ｐａｎｄａ逦Ｌｓ＾ｆｄ逡逑ｄｉｃｈｒｏｉｃ逦ｆｉｂｒｅ逡逑ｍ＜邋ｒｒｃｒ逡逑＾邋Ｆｒ－ｒｔ0ｐｅｄ邋ｌｉｂｒｅ邋ｒ邋ｉｎｇ邋－邋ｌａｓｅｒ邋＾邋＾邋ｍｅａｓｕｒｅｎｒｉｅｎｔ邋ｓ＾ｔｕｐ邋ｔｏｒ邋ｌａ＾ｉｒ．ｇ邋．逡逑ｓｐｅｃｔｒｕｍ逡逑图１．３环形腔单频光纤激光器逡逑１９９１年，Ｂａｌｌ等［１Ｇ］应用光纤光栅技术制成了窄线宽，高效率，低阈值的掺铒光纤逡逑激光器，实现了邋１５４８ｎｍ，线宽４７ｋＨｚ的单频输出。同年，Ｐａｒｋ等［１１］制成了调谐范围是逡逑１５３０－１５６０ｎｍ的全光纤单频光纤激光器，结构如下图１．４所示。他们研宄小组使用了一逡逑个０．１９６ｎｍ的宽带Ｆ－Ｐ滤波器和一个Ｏ．Ｏｌｎｍ的窄带Ｆ－Ｐ滤波器，波长调谐通过宽带Ｆ－Ｐ滤逡逑３逡逑

［１５］首次将未泵浦的掺铒光纤插入谐振腔，作为可饱和吸收体，用于放大的增益光纤和逡逑可饱和吸收光纤分别为５０ｃｍ和３２ｃｍ，总腔长为１０．４ｍ，使用偏振控制器消除混波，减逡逑弱增宽效应，实现了５ｋＨｚ线宽的１５３２ｎｍ的输出。具体激光器结构如图１．５所示。之后逡逑将未栗浦的掺镱、掺铒和掺铥光纤作为可饱和吸收体的不同结构也相继被报道［１６，１７］。逡逑ＥＤＦ１逦ＥＤＦ２逦９８０ｎｍ逡逑ａ邋ＣＯ邋ｎｎｎ邋ＷＤＭ邋ＣＯ邋ＷＤＭ」ｎｍ邋＞ｓ逡逑Ｉ￣￣逦ｐｃ邋￣￣￣邋ｐｃ邋＿逡逑图１．５基于可饱和吸收体的单频光纤激光器逡逑同年，Ｇｕｙ等［１８］首次在环形腔中用相移ＤＦＢ型ＦＢＧ作为窄带滤波器，这种相移光逡逑栅通过扫描镜技术制作，带宽只有0．0７５ｎｍ，最终得到的线宽只有２ｋＨｚ，而且移除相逡逑移光栅会出现跳模现象，并且输出不稳定。１９９６年，Ｃｈａｎｇ等人［１９］在其实验装置中首逡逑次采用扭模技术，即使用三个偏振控制器改变谐振腔中光束的偏振态，实现了波长逡逑１５３４ｎｍ，线宽小于１０ｋＨｚ的输出。１９９８年，Ｔａｋｕｓｈｉｍａ等人［２ＧＨ寸论了法拉第旋转镜和逡逑非保偏光纤对偏振特性和单纵模稳定性的影响，证明了偏振模稳定性在法拉第旋转镜逡逑组成的法布里派罗腔中和在保偏光纤组成的环形腔中相似。１９９９年

ｐｌｅｘｅｒ，邋ＮＢ：邋ｎａｒｒｏｗ邋ｂａｎｄ，邋ＢＢ：邋ｂｒｏａｄｂａｎｄ，邋ＦＦＰ：邋ｆｉｂｅｒ邋Ｆａｂｒｙ－Ｐｃｒｏｔ邋ｆｉｌｔｅｒ，逡逑ＰＣ：邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）．逡逑图１．４基于宽带与窄带Ｆ－Ｐ滤波器的全光纤单频激光器逡逑由于铒离子在二氧化硅中的浓度稍高会发生浓度淬灭现象，无法承受高功率运行，逡逑于是出现了铒镱共掺双包层光纤作为增益光纤的研究。如１９９２年，Ｌａｐｏｒｔａ研究小组报逡逑道了用铒镱共掺光纤制成的光纤激光器，中心波长为１５３２．２ｎｍ，输出功率大于１５ｍＷ，逡逑输出线宽小于１０ｋＨｚ［１２］。１９９３年，英国南安普顿大学的Ｋｒｉｎｇｌｅｂｏｔｎ研究小组也采用超逡逑短腔技术，使用ｌ0ｃｍ的铒镱共掺光纤，两头熔接ＦＢＧ，实现了邋１５４５ｎｍ，斜率效率１０％逡逑的单频７．６ｍＷ输出［１３］。但是他们使用的磷酸铝铒镱共掺光纤无光敏性，只能将光纤光逡逑栅和增益光纤进行熔接，且增益光纤长度较短使吸收效率降低，所以斜率效率相对来逡逑说比较低。但是在三年后

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本文编号：2762982