1.5μm多波长单频光纤激光器研究
发布时间：2020-07-22 19:26
【摘要】：多波长光纤激光器是基于同一谐振腔实现多个波长的光纤激光同时激射与输出,其装置结构紧凑、成本低、且易于集成,在多波长激光雷达、光纤传感、波分复用光纤通信系统、微波光子学、太赫兹光谱技术等领域具有广阔的应用前景。随着一些实际应用中对测量精度的要求越来越高,使用多波长单频光纤激光器作为光源能够有效提高激光探测的精度。因此,开展多波长单频光纤激光器的研究具有重要意义。但由于铒镱共掺光纤中Er~(3+)的增益谱线会发生均匀加宽,从而引起不同波长间的波长竞争和交叉增益饱和现象,导致常温下多波长激光难以同时激射。目前,大多数1.5μm多波长单频激光的研究工作都是基于偏振烧孔效应实现双波长输出,很难满足实际应用中对更多波长的需求。针对以上存在的问题,本论文围绕多波长单频光纤激光器开展了研究,具体的研究内容以及获得的成果如下:(1)从铒镱共掺光纤的能级结构和粒子跃迁过程出发,分析与研究了铒镱共掺光纤内多波长振荡时由Er~(3+)谱线均匀加宽引起波长竞争的机理,通过在光路中引入偏振烧孔效应和增益均衡机制,设计了有效抑制波长竞争的多波长激光谐振腔结构,并基于速率方程,建立了多波长激光谐振腔理论模型。(2)基于多波长谐振腔模型,考虑了多波长光场之间相互耦合形成的非线性效应,结合非线性薛定谔方程,对多波长光纤激光器的输出功率及光场演化进行建模仿真。分析了单纵模和多纵模输出状态下的多波长激光性能,研究了多纵模运转对多波长激光器功率稳定性的影响。根据设计的能够有效抑制波长竞争的激光谐振腔结构,搭建了多波长单频光纤激光器,实现了波长间隔为0.4 nm的4个单频激光同时稳定输出,其中每个波长的激光线宽为20 kHz,在频率大于3 MHz处的相对强度噪声值均小于-113 dB/Hz。(3)基于半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror,SESAM)对光的饱和吸收特性,在谐振腔内加入SESAM作为反射镜构建被动调Q装置,实现了4个不同波长的单频调Q脉冲激光同时稳定输出,其最大平均功率为19.44 mW。通过改变泵浦功率大小,其输出脉冲重复频率可在126.6到350.9 kHz范围内可调,其最窄脉冲宽度为104 ns。此外,结合铒镱共掺光纤的多波长谐振腔理论模型和SESAM反射率随光功率变化方程,建立了多波长被动调Q的理论模型,通过仿真得到了多波长激光的脉冲序列。同时,研究了输出波长数量变化时的激光脉冲序列及其变化规律,通过研究发现了随着输出波长数量的增加,脉冲重复频率会随之增大,而脉冲能量会随之降低。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248
【图文】：
（Erbium-doped FiberAmplifier, EDFA）提供足够增益，并插入 F-P 滤波器等器件进行波长选择。图1-1 利用F-P滤波器进行波长选择的多波长光纤激光器Fig. 1-1 Multi-wavelength fiber laser by using a F-P filter for wavelength selection另外，也可以把单模光纤或保偏光纤与偏振控制器等光学器件通过光耦合器连接成环状，组成光纤 Lyot-Sagnac 环来进行滤波和选频，其典型的光路结构如图 1-2 所示。入射光从耦合器进入光纤环中，在环路中被分成沿顺时针和逆时针两个方向传播的两路光，在光纤环内，偏振控制器（Polarization Controller, PC）相当于两个4λ波片和一个λ 波片，为这两路光引入固定的快慢轴相位差，同时，光场在通过保偏光纤时也产生另一快慢轴相位差，这两束光在传输一周后回到耦合器并干涉形成梳状滤波[27-29]。然而
光纤环相结合的方式，并且控制腔内变量使它们的滤波通道相匹配，才能获得更窄的滤波带宽。但是该装置增大了腔内损耗，也导致光纤激光器的结构复杂化。图1-2 光纤Sagnac环作波长选择的结构图Fig. 1-2 Configuration of the fiber Sagnac loop for wavelength selection为了避免这些问题，可以利用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）实现波长选择。FBG 的滤波带宽窄、结构简单灵活、插入损耗小，且制作成本低廉。通过具有双折射效应的保偏 FBG 选择波长，引入偏振烧孔效应，能够获得简单、可控的双波长光纤激光输出。为了使光纤激光器输出正交线偏振且波长间隔小的多波长单频激光，经过分析和讨论，论文中设计的多波长单频光纤激光谐振腔中选用了双通道保偏窄带 FBG作为选频元件，来完成激光系统的波长选择功能。然而，室温条件下的 Er3+具有较强的增益均匀加宽特性
内额外插入调制器件，增大腔内损耗，且成本较高，通常需要配合多级功率放大才能实现激光的有效输出。图1-3 基于频移技术的多波长光纤激光器结构图Fig. 1-3 Configuration of the multi-wavelength fiber laser based on frequency shiftertechnology（3）四波混频：四波混频是基于激光对光纤介质参量的影响而产生的一种非线性光学效应，它会引起能量从高功率波长传递到低功率波长处，使得各波长间的功率更加均衡，使不同波长信号光之间的功率差异减少，实现各波长能量的自稳定[26,35]。图 1-4
本文编号：2766251
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248
【图文】：
（Erbium-doped FiberAmplifier, EDFA）提供足够增益，并插入 F-P 滤波器等器件进行波长选择。图1-1 利用F-P滤波器进行波长选择的多波长光纤激光器Fig. 1-1 Multi-wavelength fiber laser by using a F-P filter for wavelength selection另外，也可以把单模光纤或保偏光纤与偏振控制器等光学器件通过光耦合器连接成环状，组成光纤 Lyot-Sagnac 环来进行滤波和选频，其典型的光路结构如图 1-2 所示。入射光从耦合器进入光纤环中，在环路中被分成沿顺时针和逆时针两个方向传播的两路光，在光纤环内，偏振控制器（Polarization Controller, PC）相当于两个4λ波片和一个λ 波片，为这两路光引入固定的快慢轴相位差，同时，光场在通过保偏光纤时也产生另一快慢轴相位差，这两束光在传输一周后回到耦合器并干涉形成梳状滤波[27-29]。然而
光纤环相结合的方式，并且控制腔内变量使它们的滤波通道相匹配，才能获得更窄的滤波带宽。但是该装置增大了腔内损耗，也导致光纤激光器的结构复杂化。图1-2 光纤Sagnac环作波长选择的结构图Fig. 1-2 Configuration of the fiber Sagnac loop for wavelength selection为了避免这些问题，可以利用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）实现波长选择。FBG 的滤波带宽窄、结构简单灵活、插入损耗小，且制作成本低廉。通过具有双折射效应的保偏 FBG 选择波长，引入偏振烧孔效应，能够获得简单、可控的双波长光纤激光输出。为了使光纤激光器输出正交线偏振且波长间隔小的多波长单频激光，经过分析和讨论，论文中设计的多波长单频光纤激光谐振腔中选用了双通道保偏窄带 FBG作为选频元件，来完成激光系统的波长选择功能。然而，室温条件下的 Er3+具有较强的增益均匀加宽特性
内额外插入调制器件，增大腔内损耗，且成本较高，通常需要配合多级功率放大才能实现激光的有效输出。图1-3 基于频移技术的多波长光纤激光器结构图Fig. 1-3 Configuration of the multi-wavelength fiber laser based on frequency shiftertechnology（3）四波混频：四波混频是基于激光对光纤介质参量的影响而产生的一种非线性光学效应，它会引起能量从高功率波长传递到低功率波长处，使得各波长间的功率更加均衡，使不同波长信号光之间的功率差异减少，实现各波长能量的自稳定[26,35]。图 1-4
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 刘艳格;冯新焕;董孝义;;室温稳定多波长光纤激光器技术的研究新进展[J];中国激光;2007年07期
相关博士学位论文 前2条
1 张晨芳;多波长掺铒光纤激光器和稀土掺杂光纤的研究[D];北京交通大学;2014年
2 刘爽;多波长光纤激光器及其应用研究[D];华中科技大学;2010年
本文编号：2766251
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