基于随机光栅的激光器及电压传感器研究

发布时间：2020-10-25 02:51

　　 近年来,随机光栅吸引了越来越多科研人员的兴趣,其有着广阔的应用前景。本文研究了随机光栅及其在光纤激光器和传感器领域的应用,具体内容如下:1.实验研究了基于25mm长随机相移光纤Bragg光栅的环形腔随机光纤激光器。随机相移光栅利用光束扫描法制作在普通单模光纤上,通过沿光栅长度引入的20个随机取值的相移点实现了随机反馈和光局域化效应。在980nm泵浦的激励下,激光器的阈值功率仅为21.8mW,随泵浦功率不同可以实现单波长或双波长的激光发射。在130mW泵浦功率下,1549.96nm波长处的3dB带宽为0.44pm,光信噪比高达55dB。通过将随机光栅浸入水中,可以有效地抑制模式竞争,实现更稳定的单波长模式。2.实验研究了基于上述随机相移光纤Bragg光栅的半开腔随机光纤激光器。通过采用不同分光比的耦合器和不同的监测方向研究了多种情况下的激光输出特性。在980nm激光器的泵浦下实现了稳定的单波长激光发射,阈值功率为25mW。在350mW的泵浦功率下,获得了光信噪比高达67dB和3dB带宽17.7pm的单波长激光输出。通过将光栅浸入不同浓度的NaCl溶液中,我们发现激射波长随周围折射率线性变化,这为激射波长调谐和折射率检测提供了一种潜在的方法。3.提出基于LiNbO_3随机波导光栅的电压传感器及其电压检测方法。随机波导光栅作为该传感器的传感头,当有电压作用到随机波导光栅时,LiNbO_3晶体的电光效应会引起随机波导光栅有效折射率的改变。将随机波导光栅的反射谱与没有电压作用时的同一光栅的反射谱进行互相关运算,根据相关曲线峰值对应的波长偏移与外加电压呈线性关系,实现对电压的检测。仿真结果表明,使用随机波导光栅1550-1600nm波段的反射谱进行电压检测的灵敏度高达16.0pm/V。利用退火质子交换的方法一次性制备得到了LiNbO_3随机波导光栅,并对提出的电压传感器进行了实验研究。
【学位单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;TN248
【部分图文】：

第一章 绪论纤Bragg光栅也可以使用这种简单的方法来制造[19]。这种光栅在高功率随机光纤激光器、波分复用网络和光交换方面有着潜在的应用价值。在随机光栅的应用方面，2016 年，Jayachandra Bingi 等人展示了单个斑点的新颖的边缘衍射现象，并使用这些衍射图案通过光刻工艺制造了如图 1-1 所示的随机光栅。其中，每个斑点的衍射图案形成微米或亚微米尺寸的光栅，随机排列的一维或二维的微光栅集合被称为一维或二维的随机光栅。他们发现“Si-随机光栅-Si”夹层结构具有显著降低透射和增强吸收（消光）的作用，证明其可用于太阳能的收集[20]。2017 年，YanpingXu 等人通过对基于随机反馈的激光二极管的混沌动力学的理论分析发现随机分布反馈破坏了与相位有关的模式条件，从而可以抑制时间延迟特征。他们采用逐点刻写的方式在光纤上制作了随机折射率调制周期的随机光栅，通过实验发现随机光栅将大量与相位不相关的腔模式引入到半导体激光器，导致高维的混沌动力学，从而隐藏了时间延迟特征并获得了迄今为止最小的时间延迟特征值 0.0088[21-22]。

新颖的控制方案为随机激光制造过程增加了一定程度的可重复性[56]。同年，Yang Li 等人利用 10cm 单模光纤上 100 个随机间隔的折射率调制光栅的多射有效地产生了随机反馈，实现了在 0.5nm 范围内可调谐的掺铒光纤环形激光器。激光器在 5s 内表现出小于-120dB/Hz 的较低的相对强度噪声和标准偏差为 3.41×低频波动，具有 2.4kHz 的窄线宽和 59dB 的高侧模抑制比[57]。2015 年，Lulu Wang 等人采用光束扫描法直接在 40mm 长的高浓度铒镱共掺光纤写了随机相移光栅，通过波长为 980nm 的激光二极管泵浦，实现了阈值功率仅 28随机激光输出。激光器的光信噪比高达 65dB，随泵浦功率不同能够得到单波长和长的激光辐射[44]。同年，W. L. Zhang 等人通过结合光纤 Bragg 光栅阵列的随机反馈和光纤端的菲涅馈获得了多模式相干随机激光，泵浦阈值为 14mW，功率效率为 14.4%。在随机光光器中，掺铒光纤上随机间隔的光纤 Bragg 光栅被用作增益介质、随机分布的反射及可控元件。此外，他们提出并证实了一种全光学方法来调控掺铒随机光纤激光器射模式。如图 1-2 所示，他们使用横向注入的控制光来引起局部增益扰动，为某些共振模式提供额外的增益，通过改变暴露于控制光的激光腔的位置实现了随机光纤器的有效的模式选择[58]。

图 1-3 随机光纤激光器的实验装置图，当 A 部分换为 B 部分时即为测量线宽的实验装置图[60]。同年，W. L. Zhang 等人将刻写在掺铒光纤上的随机间隔的光纤 Bragg 光栅阵列作为增益介质和随机分布反射镜，与可调反射镜一起构成随机光纤激光器。当可调反射镜的反射率从 4%增加到 50%时，多模相干随机激光的阈值功率由 10mW 降至 7.5mW，功率效率由 23%增加到 27%。为了控制随机激光的激射模式，随机光栅阵列的特定位置被加热，以让该位置光纤 Bragg 光栅的波长远离其它光纤 Bragg 光栅，形成不同的谐振腔。他们通过改变加热点的位置来控制随机光纤激光器的激射模式，实现了基于温控的模式选择[61]。同年，许儒泉等人基于相位掩模法在利用拉丝塔在线制作的单模光纤纤芯上连续刻写长度为 0.3mm 的光纤 Bragg 光栅约 4.3×105支，制作了长度为 130m 的全光栅光纤。利用光学环行器将作为随机反馈介质的全光栅光纤接入由掺铒光纤放大器、光纤隔离器和窄带光滤波器组成的环形激光腔中，构成如图 1-4 所示的超窄线宽的环形随机光纤激光器。通过窄带光滤波器选模，激光器输出连续单模激光的最大功率为 1.26mW，阈值电流为 75mA。泵浦电流恒定为 100mA 时的激光器线宽为 1.25kHz。当频率为 1kHz 以上时，激光器输出的相对强度噪声达到-90dB。相比于传统的基于分立光纤 Bragg 光栅的随机光纤激光器反馈腔，该反馈腔具有更多的随机反馈点以及更均匀的随机性，有助
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本文编号：2855348