（光学专业论文）环形腔光纤激光器中光谱边带特性研究.pdf

华南帅范人学硕：b 学位论文摘要 摘要 飞秒光纤激光器是超短脉冲激光器领域一种新兴的研究课题，其不仅在未来 o t d m 、光孤子通信和传感系统中有着广阔的应用前景，而且在超快领域、医学 成像、光电、a d 采样及光谱分析测量等领域有着重要的应用。然而对于1 5 5 um 波段锁模光纤激光器，其输出光谱都出现光谱边带效应。本论文主要围绕环 形腔光纤激光器的光谱特性开展研究，其中重点研究了锁模光纤激光器光谱边带 的物理机制，主要内容为： 1 介绍了光纤通信的发展以及国内外关于光纤激光器光谱边带特性的研究 概况。 2 介绍了光纤激光器的基本原理和分类，分析了锁模激光器的物理机制， 并详细分析了非线性偏振旋转技术等效快速可饱和吸收体实现被动锁模的原理， 阐述了光纤激光器输出光谱存在边带效应的现象。 3 分析了锁模光纤激光器产生光谱边带效应的原因，理论上对光纤中传输 的孤子光波通过非线性偏振旋转装置后的透射率与光强及其偏振态的关系进行 了研究。研究结果表明，当调节偏振控制器方向和最强光波的偏振态一致时，可 以等效为可饱和吸收体而实现被动锁模输出无边带的超短脉冲；当偏振控制器方 向和最强光波的偏振态不一致时，激光器会输出附有边带的光谱脉冲。 4 搭建了环形腔被动锁模掺铒光纤飞秒激光器实验平台，通过调节偏振控 制器至不同的角度，发现了边带级数在光谱左右出现的多少及其不对称性的特 性，并对左右级数的边带的偏移量和强度进行了测量，实验验证了上述理论分析 的正确性。 本论文的光谱边带特性的研究对于深入理解光谱边带的物理学机制、如何利 用边带效应测量光纤色散以及如何消除光谱边带等都具有重要的意义。 关键词：边带不对称性；光纤激光器；被动锁模；环形腔 堕塑燮坠确iiiii i 1111101111111|i洲uiiiiiiiiii iil _ 。一m - l _ 1l l il l l a b s t r a c t y 17 6 8 2 2 3 t h ef e m t o s e c o n df i b e rr i n gl a s e ri san e wk i n do fe m e r g i n gr e s e a r c hs u b j e c ti n t h ef i e l do fu l t r as h o r tp u l s e s ，w h i c hi sn o to n l yo fv a s tp r o s p e c ta p p l i c a t i o nt or e a l i z e o t d m ，t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h es e n s o r ys y s t e m ，b u ta l s ow i d e l y u s e di nt h ef i e l d so fu l t r a f a s t ，t h es c i e n c eo fm e d i c a li m a g i n g ，a ds a m p l i n ga n d s p e c t r a lm e a s u r e m e n t h o w e v e r , i n t h es p e c t r u mo f15 5 0 n mo fas o l i t o nm o d el o c k e d f i b e rl a s e r , t h es i d e b a n d sa l w a y sa c c o m p a n i e st h eo u t p u ts p e c t r u m t h i sd i s s e r t a t i o ni s f o c u s e do nt h er e s e a r c ho ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es p e c t r u m ，t h ep h y s i c a lm e c h a n i s m o ft h es i d e b a n di naf i b e rr i n gl a s e ri sm a i n l yr e s e a r c h e d m a i nw o r k s a r ea b s t r a c t e da s f o l l o w s ： 1 f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n dt h e r e s e a r c hs u r v e yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es i d e b a n di naf i b e rr i n gl a s e ra r em a i n l y i n t r o d u c e d 2 t h eb a s i ct h e o r i e sa n dm a i nc a t e g o r yo ff i b e rl a s e ri si n t r o d u c e d ，a n dt h e p h y s i c a lm e c h a n i s mo fm o d e l o c k e di sd i s c u s s e d t h e nt h et h e s i sa n a l y z e si nd e t a i l t h e p r i n c i p l eo fp a s s i v e l y m o d e l o c k e du s i n gn o n l i n e a rp o l a r i z a t i o n r o t a t i o n e q u i v a l e n tt or a p i ds a t u r a b l ea b s o r b e rt e c h n i q u e a n dt h ep h e n o m e n o no fs i d e b a n d s p e c t r u mo ff i b e rl a s e ri sp r e s e n t e d 3 f i r s t l y , t h er e a s o n so ft h es i d e b a n d sc a u s e d a r ei n t r o d u c e di naf i b e rr i n g 1 a s e f t h e n t h em e c h a n i s mo ft h en p r i si n t e r p r e t e db yt h a td i f f e r e n to p t i c a lp o w e r h a sd i f f e r e n tp e r m e a t i o nr a t i o s t h er e s e a r c hh a sp r o v e dt h a tw h e n t h ed i r e c t i o no ft h e p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r a n dt h eh i g h e s tp o w e ri n c i d e n tw a v ep o l a r i z a t i o ns t a t ei s u n a n i m o u s ，i ti se q u a l i z e dt oa s a t u r a b l ea b s o r b e rt om o d e - l o c k ；w h i l et h ed i r e c t i o no f t h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e ra n dt h eh i g h e s tp o w e ri n c i d e n tw a v ep o l a r i z a t i o ns t a t ei s n o tu n a n i m o u st w o c o l o r e dp u l s ec a nb eo b t a i n e d t h es h o r t e s tp u l s ew h i c hi sa b o u t 6 8 f sa n dt w o c o l o r e dp u l s ei so b t a i n e di no u re x p e r i m e n t 4 a ne x p e r i m e n tp l a t f o r mo fe r 3 + r i n gc a v i t yp a s s i v e l ym o d e l o c k e df i b e r l a s e ri se s t a b l i s h e d b ya d j u s t i n gt h ep ct od i f f e r e n ta n g l e s ，t h es i d e b a n da s y m m e t r y w e r ea p p e a r e db e t w e e nt h es p e c t r u m ，t h r o u g hm e a s u r et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h em a i n s o l i t o na n dt h es i d e b a n d s ，w h i c hp r o v et h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i sa r ec o r r e c t t h ep h e n o m e n o no ft h i se x p e r i m e n ti su s e f u lf o rt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo ft h e s i d e b a n d s ，u s i n gi tt om e a s u r et h es i d e b a n dd i s p e r s i o na n de l i m i n a t i n gt h es i d e b a n d s a n ds oo n k e y w o r d s ：s i d e b a n da s y m m e t r y ；f i b e rl a s e r ；p a s s i v e l ym o d e l o c k e d ；r i n gc a v i t y 华南师范人学硕上学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 光纤非线性和色散作用2 1 2 1 光纤的非线性特性2 1 2 2 光纤非线性效应的重要性2 1 2 3 光纤的色散作用4 1 3 国内外对光纤激光器边带研究现状8 1 3 1 光纤激光器中的边带8 1 3 2 光纤激光器中的次边带10 1 4 本论文的主要工作1 0 第二章光纤激光器的基本原理与技术1 3 2 1 光纤激光器的分类1 3 2 2 光纤激光器的基本原理1 3 2 3 锁摸的物理机制1 6 2 4 被动锁模光纤激光器的非线性偏振旋转技术1 7 2 4 1 可饱和吸收体的被动锁模作用18 2 4 2 非线性偏振旋转技术n p r 2 0 2 4 3 光谱边带效应21 2 5 本章小结2 2 第三章环形腔光纤激光器中光谱边带不对称性的理论分析 2 3 3 1 光谱边带效应产生的原因2 3 3 2 产生光谱边带效应的理论模型2 4 3 3 本章小结2 8 第四章环形腔光纤激光器中光谱边带特性的实验研究3 0 4 1 实验装置及原理3 0 i v 华南师范大学硕上学位论文 目录 4 2 实验结果与分析3 2 4 3 本章小结3 5 第五章总结与展望”3 7 参考文献3 9 硕士期间发表的文章”4 4 致谢4 5 v 华南师范人学硕上学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 自从有人类社会以来，信息的传输就产生了，它是人类生存的基本条件。近 代的通信技术，发展尤为迅速。总体说来，可分为电通信和光通信。通信技术发 展过程中，围绕着增加信息传输的速率和距离，提高通信系统的可靠性、有效性 和经济性方面进行了许多工作，取得了卓越成就。光通信技术则是当代通信技术 发展的最新成就，已成为现代通信的基石。 至今为止，每一种新的通信方式出现的原动力都是源自于改进传输的可靠 性、提高信息传输速率或增加中继站之前的距离。在2 0 世纪7 0 年代，光纤通信 由起步到逐渐成熟。1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为2 0 d b 的石英光纤， 证明光纤作为通信的传输媒质是大有希望的，从而为光通信的发展奠定了基础。 之后，光纤的传输质量大大提高，光纤的传输损耗逐年下降。1 9 7 2 - - 1 9 7 3 年， 在o 8 5 微米波段，光纤的传输损耗已下降到2 d b k m 左右，此时同时，光纤的带 宽不断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃型折射率光纤转向带宽较宽的渐变型 折射率光纤。2 0 世纪8 0 年代是光纤通信大发展的年代，在这个时期，光纤通信 迅速由0 8 5 微米波段转向1 3 微米，由多模光纤转向单模光纤，单模光纤的色散 小，约比多模光纤小1 - - 2 个数量级，因而更适合高速率、长距离的信息传送， 这对陆上长途通信及海底光缆通信具有重要的经济意义。光波工作波段的迁移和 光纤模式的改变使得光纤损耗大大降低。通过理论分析和时间摸索，发现1 3 微 米和1 5 5 微米波段分别实现了损耗为0 5 d b k m 和0 2 d b k m 的极低损耗的光纤 传输。1 5 5 微米通信波段确定以来，各种速率的光纤通信系统在世界各地建立起 来，显示出光纤通信优越的性能和强大的竞争力，并很快替代电缆通信，成为电 信网中的重要的传输手段。 1 5 5 波段窗口的打开，光纤通信开始向着远距离、高容量的方向发展，该发 展趋势对光谱的平滑程度以及脉冲的前后沿的非重叠性无疑提出了更高的要求。 而在掺铒光纤激光器实验中，获得光谱总是伴随着边带的产生，光谱边带一方面 使光谱的主孤子脉冲能量减少，从而影响了光通信的远距离方向发展，另一方面 华南帅范人学硕士学位论文绪论 使激光器的输出脉冲的频谱质量发生劣化，容易使信号之间产生串扰，从而影响 激光器长时间工作的稳定性。因此，在光纤激光器的实验过程中，锁模得到一个 光滑的无边带光谱成了一个很重要的环节。基于以上原因，对于边带的产生、特 性、以及消除等等一直是个比较关注的问题【1 胡。 1 2 光纤非线性和色散作用 1 2 1 光纤的非线性特性 从其基能级看，介质非线性响应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电子的 非谐振运动有关，结果导致电偶极子的极化强度p 对于电场e 是非线性的，但满 足通常的关系式【7 邶】 p = c o 朋) i e e e + 2 m e + z ( 2 ：朋+ z ( 3 + 1 ( 1 2 1 ) 式中，印是真空中的介电常数，z ( ) ( ：1 ，2 ，) 为歹阶电极化率，考虑到光 的偏振效应，z ( ) 是+ 1 阶张量。线性电极化率z ( 1 ) 对尸的贡献是主要的， 它的影响包含在折射率刀和衰减常数口内。二阶电极化率z ( 2 ) 对应于二次谐波 的产生、和频运输掣8 均e 线性效应。然而，x ( 2 ) 只在某些分子结构非反演对称的 介质中才不为零。因为s z d 2 分子是对称结构，因而对石英玻璃z ( 2 ) 等于零。所 以光纤通常不显示二阶非线性效应，然而电四极矩和磁偶极矩能产生弱的二阶非 1 2 2 光纤非线性效应的重要性 最近测的石英光纤中的非线性折射率系数即2 值( 2 2 3 4 ) x1 0 2 0 历2 w 范围内，它取决于纤芯的成分及光纤中输入的偏振态是否能保持】。这个值较其 他非线性介质至少少两个数量级。类似的，在石英光纤中，拉曼和布里渊增益的 华南师范人学硕二i ：学位论文 绪论 测量结果表明，他们的值t ! t 比大多数其他非线性介质小两个数量级以上引。尽 管石英光纤中固有的非线性系数值较小，但光纤中的非线性效应在相对较低的功 率水平下就能观察到，这是由单模光纤的两个重要特性：在1 o 朋1 6 , t a n 波 长范围内具有小光斑尺寸( 模场直径小于1 0 脚惭) 和非常低的损耗( 小于 1 如砌) 所决定的。 在块状介质中，非线性过程的效率是由，和厶扩的乘积儿彩来表示的。 这里的，是光强，厶矿是互作用的有效长度。若光聚焦成半径为缈。的光斑， 则，= 尸( 刀培) ，尸为入射光功率。很显然，把缈。聚焦到很小，将大大提高； 然而，这将导致有较小的乙矿，因为聚焦区的长度随聚焦程度减小。对高斯光束， l 珂冗斌2 ，i 与l 酊的积为 池够k ( 去 譬= ； 2 2 ) 它不依赖于光斑尺寸。在单模光纤中，光斑尺寸彩0 由纤芯半径口决定。进而， 由于介电波导在整根光纤长度内保持同样的尺寸，其互作用长度锄只受光纤损 耗口的限制。利用，g ) = ，oe x p ( 一化) ，这罩，0 = p k 子) ，尸为耦合到光纤 中的光功率，可得儿p 矿积为： 够k = 学，g 矽z1 0 l 删p 。2 e - a z d z = 磊pl - a l ( 1 2 3 ) 比较方程( 1 2 2 ) 和( 1 2 3 ) 可以看出，光纤中非线性过程的效率通过下述因 子得到改善【1 4 1 。 =! !( 1 2 4 ) ， 刀c c 0 6 a 这里假定钇 - 汀。在可见光区，当名= o 0 5 3 t i m ， 口= 2 5x1 0 5 c m ( 1 0 d b k m ) 旷t ，得到一增强因子约1 0 7 ；在最小损 华南师范火学硕上学位论文绪论 耗波长1 5 5 砌附近；口= 5 1 0 7 c m - 1 ( 0 2 拈砌) ，增强因子达1 0 9 。光纤 中非线性过程效率的巨大的增强因子，使得光纤成为合适的非线性介质，第五章 对全文进行了概括性的总结，并对以后的研究应用作出了一定的展望。在相对较 低的功率水平下观察各种非线性效应，一些需要较短光纤( 小于0 1 k m ) 的应用 中，石英相对较弱的非线性成为一个新的话题。现在可以用咒? 值比石英大的非 线性材料制造光纤，用硅酸铅制造的光纤其即，) 值约提高1o 倍，在硫化物玻璃光 纤中甚至具有更大的值( 以， = 4 2 1 0 1 8 m 2 w ) 【1 4 】这些光纤在制作放大 器、开关、光栅、激光器等光纤器件方面正引起极大的关注，并且有可能对非线 性光纤光学的发展起更加重要的作用【1 5 1 9 1 。 1 2 3 光纤的色散作用 色散的一个重要特性是，由于群速度失配，不同波长下的脉冲在光纤内以不 同的速度传输，这一特性导致了走离效应，它在涉及到两个或更多个交叠脉冲的 非线性现象的描述中起了重要的作用。更准确的说，当传输的较快的脉冲完全通 过传输的较低的脉冲后，两光脉冲之间的互作用将停止。 单模光纤中模式的传输常数( 缈) 在中心频率附近展开成泰勒级数，表示 为： 从c o ) = n ( 0 9 ) 6 0 c = 属+ ( 缈一嘞) + 三( 缈一) 2 + 吉 一) + + 磊11d d 扩m f l ( 、缈一) 埘+ ( 1 2 5 ) 式中7 ， ，胛分别是, a ( c o ) 对缈的一阶、二阶和三阶导数。 群速度( 光波包络的传输速度) y g = l 7 = d c o a , a ，而夕胛称为群速度 ( g v d ) 系数，它是脉冲展宽的主要因素。通常用色散系数d 来表示光纤的色 散，表示为： 。= 一dz l d 2 = 塑d 2 d c o = 一等一( 1 2 6 ) y 。 、h “u 4 华南师范人学硕士学位论文 绪论 式中兄，y ，彩分别是光波长、群速度、相位系数和角频率。d 的单位是 p s ( n m 枷) 。对于通常采用的常规单模光纤来说，其零色散点位于 允= 1 3 l p m ，而对于波长是1 5 5 , u r n 的系统( 如掺铒光纤放大器的放大窗口) ， 常规光纤在此波长上的色散大约为+ 1 7 p s ( r g n k i n ) 。在单模光纤中，d 的数值大 小主要是材料色散和波导色散共同作用的结果。 材料色散的产生是因为折射率是光波长的函数，图1 1 中所示为石英的折射 率随波长变化的曲线。又因为模式的群速率是折射率的函数，所以模式中不 同频谱分量的传播速度也是波长的函数2 0 1 ，对于正常色散光纤，波长短的部分， 频率高，速度慢，波长长的部分，频率低，速度快，它们到达光纤末端的时间不 同，因而引起色散的产生，导致输出脉冲展宽。可见材料色散是一种模内色散， 对波长敏感。 d 。( 五) 为材料色散系数，单位为p s ( n m k m ) ，它的大小由材料折射率的二 阶导数给出： ， 蹦矿一昙等 2 刀 n 为光纤材料的折射率，c 为真空中的光速。由上式可以看出，材料色散是 对波长敏感的，图1 - 2 表示出它随波长的变化。 40 1 2j s 2 ( 1 2 42 暑3 23 6l m 辘隰v e l e n g t h 。m i c r o m e t e r s 图1 1 石英材料的折射率随光波k 变化的曲线图 锯 耱 蟾 稿 救 铂 i ， ， i i ， 华南师范大学硕上学位论文 绪论 3 0 2 0 ，_ 、 萎1 0 呈o a 、 q - 1 0 - 2 0 i il ili7 j d 曩一1 乡r j 一，夕吒 一 ， 一一一彩t 一一一一 一 戢一 ， 一 ， lill 图1 - 3 单模光纤中光强分布示意图 这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层 内的这部分光强的大小与光波有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不 同而异。把有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光 传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而导致脉冲展宽。这种 色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象称为波导色散。 d 。( 五) 为材料色散系数，单位为p s ( n m k m ) ，它与光纤的结构特性有关， 其大小由下式给出： 蹦护一去c 力2 等删筹， 2 剐 6 华南师范人学硕： = 学位论文 绪论 由上式看出，波导色散也是对波长敏感的，在单模光纤中波导色散相对于材 料色散较小一些。 在一般的计算和厂家对色散的标称值中，单模光纤的色散系数等于材料色散 和波导色散的总和，因此 。= 哦蛾一詈筹一去等埘静 2 在单模光纤中，除了材料色散和波导色散，还存在着高阶色散。在式子( 1 2 4 ) 中，胛对应的是光纤的高阶色散，其大小取决于色散斜率s = d d d 2 ，s 也 称为微分色散系数或二阶色散系数。与材料色散和波导色散相比，高阶色散通常 较小。但是当系统工作在光纤的零色散区域时，它的作用就不能忽略。 光信号中不同偏振状态的双折射现象是导致脉冲展宽的另外一个因素。这种 因素对于长途大容量的光纤链路的影响尤为严重。双折射的产生是因为光纤本身 的缺陷，如纤芯的几何形状不规则、内部应力不均匀等，哪怕纤芯的非圆程度还 不到l ，可在高速系统中的影响就很明显了。另外，外部的因素如弯曲、扭曲、 挤压光纤时，也会导致双折射。在任何室外环境铺设的光线中，上述这些影响都 会不同程度地存在，所以在光纤线路上双折射的大小是不断变化的。 光信号的一个基本特性是它的偏振状态。所谓偏振指的是光信号中的电场矢 量的取向，它会沿着光纤的长度显著变化。信号的能量在给定的波长处分解成两 个正交的偏振模。由于沿着光纤方向的双折射程度不断变化，因为两个偏振模传 输的速率稍有差别，如图1 - 4 所示。这两个正交的偏振模最终所产生的时延差a r 就会导致脉冲的展宽，这就是所谓的偏振模色散( p m d ) 2 1 - 2 3 】。 一3 z 、 图1 4 光脉冲两个正交的偏振模传输 两个正交的偏振模传输的相对时延差为： 把 圳等一剖 7 ( 1 3 0 ) 华南师范人学硕士学位论文绪论 式中x ，y 分别表示两个偏振方向。偏振模色散与群速度色散相比，后者是光纤 中一种相对稳定的现象，而p m d 却是随机变化的，因为双折射效应还会随着温 度的变化而产生微扰。因此式( 1 2 9 ) 所给出的a r 表达式不能直接用来估算 p m d ，而只能用统计推算的方法得到它的值。在常规单模光纤中偏振模色散的 值通常很小，一般的情况下可以忽略，但对工作在零色散区的超高速系统，需要 考虑对它的抑制和补偿。 1 3 国内外对光纤激光器边带研究现状 关于对边带的研究国内并不是很多，国外从上世纪八十年代开始就有人提出 了边带的问题，但是在整个八十年代，对于边带的产生原因，不对称性机理，如 何消除边带等一直处于一个探索的阶段，并没有给出明确的表述。早在1 9 8 2 年， r h s t o l e n ，a a s h k i n 等人只是对光脉冲的密度分布问题有了一个初步的探究。 直到九十年代初，在1 9 9 1 年，n p a n d i t ，d u n o s k e 等人对边带不对称性的描述 是由于拉曼散射【2 0 1 ，他的解释是在该腔体内，较长波长低频率范围内的边带的 产生是由于较短波长高频率的孤子放大作用。此外，在1 9 9 1 年至1 9 9 4 年期间， d u n o s k e ，s m j k e l l y 等人把光谱中边带的不对称性归结为调制不稳定性引 起的【1 3 1 ，在这一段时间内，大部分人已经公认边带的不对称性以及边带的产生 都与光谱的调制不稳定性有密切关系。还有，1 9 9 4 年，d e n n i s 和d u l i n g 3 】在“8 ” 字形腔中发现光谱不对称性在短波长范围内的边带强度远大于长波长范围内的 边带强度，该现象解释为是由于增益剖面图是一个不对称的抛物线，更重要的是 高增益点更靠近短波长范围。2 0 0 0 年，新加坡的w s m a n ，d y t a n g 等人 在 2 5 中分析边带不对称性是由于腔体内的双折射而导致的滤波效果不同所致， 这次报道对边带的产生及其不对称性分析有了重大的突破，形成了现在多数人公 认的观点。并且在此基础上他们对边带、次边带的产生原因、动力学机制等进行 了更加明确的研究分析【6 2 5 2 6 1 。2 0 0 7 年，本小组利用光谱边带的效应测量了光纤 中的色散，该实验简单易行并且精确度很耐2 7 】。 1 3 1 光纤激光器中的边带 在超短脉冲光纤激光器中，边带效应是一种众所周知的现象，最近而被广泛 华南师范大学硕士学位论文 绪论 研究。大量的实验结果表明，工作在反常色散区间的锁模光纤激光器输出频谱都 会存在光谱边带。这一实验现象不依赖于锁模方式，也不依赖于光纤激光器的结 构形式，不论是环形腔结构、线性腔结构，还是“8 ”字形腔体结构，都会观测 到光谱边带。光谱边带是指孤子光纤激光器输出的光谱两翼中出现的具有确定离 散的光谱成份这样一种现象。它的产生正是由于光纤的非线性效应及色散等使得 在光纤激光器中运行的光孤子泄露出了色散波并与主孤子波发生干涉，从而形成 了边带。如图表1 - 5 所示，光谱边带近乎对称地以离散的形式分布在中心频谱两 侧，而理想的孤子脉冲波形是平滑的，和带有光谱边带的脉冲波形形成了鲜明的 对比。 图表i - 5 有边带和没边带的频谱对比 在最初的时候，光谱边带被认为是调制不稳定性造成的。后来，经过详细研 究发现，光谱边带真f 的起因来源于谐振腔内的色散波与孤子脉冲之间的相长干 涉。我们知道，要形成真j 下的孤子脉冲，则需要严格满足脉冲能量、色散、非线 性等参量沿整个腔体保持不变，只有这样，才可以保证孤子脉冲的形状在腔体传 输过程保持不变。然而，对于个典型的被动锁模光纤激光器而言，并不能严格 保证这些参数在整个腔体长度上保持不变。实际情况是，孤子脉冲在腔内循环时， 部分能量在输出藕合器处被祸合到腔外，造成腔内循环孤子脉冲的能量损失。在 每次往返过程中，孤子脉冲又被增益光纤所放大，能量恢复到原来值。结果，孤 子能量和峰值功率在腔体循环过程中发生周期性变化。在这种情况下，孤子脉冲 只能将一部分能量辐射转化为色散波辐射出去，来适应扰动。当色散波与孤子脉 冲问的相位差在一次往返中满足相干增强条件时，就会形成光谱边带。简单地说， 光谱边带产生的原因是孤子在腔内循环时，由于受到增益放大和耦合输出损耗等 因素的影响，其峰值功率出现周期性变化。在这种情况下，孤子脉冲为了维持稳 9 图表卜6 调制稳定时的边带 图表1 - 7 调制不稳定时的次阶边带 1 4 本论文的主要工作 利用非线性双折射偏振旋转( n p r ) 技术实现被动锁模的掺稀土元素全光纤 环形腔激光器，结构简单，起振阈值低，易于实现自启动。但是无论是单环形腔 还是“8 ”字环形腔，利用n p r 技术产生的锁模激光脉冲，其激光光谱一般都会 出现光谱边带。光谱边带一方面使输出的频谱质量劣化，影响激光器工作的稳定 性，另方面使激光的主脉冲能量减小，限制了全光纤激光器应用范围2 6 2 8 1 。光 l o 华南师范人学硕： = 学位论文 绪论 谱边带的产生从原理上理解为环形腔中色散波与孤子波相互干涉的结果。因此， 在光纤激光器的实验过程中，锁模得到一个光滑的无边带光谱成了一个很重要的 环节。基于以上原因，对于边带的产生、特性、以及消除等等一直是一个比较关 注的问题。 本实验采用高掺杂e f 3 + 光纤作为激光器的增益介质，通过调节偏振控制器， 实验过程中很容易就观察到附有边带的锁模脉冲的输出。以往的关于边带的不对 称性的实验中，都集中报道边带j 下负级数的强度存在不对称性，而对正负级数数 目存在不对称性往往忽略。在本实验中所获的光谱边带中，很明显的存在两方面 的不对称性，一方面发现在强度方面有着很明显的不对称性，以往的实验中，只 是报道过正级数强度低于负级数强度的现裂3 1 ，本实验在此基础上观察到其不对 称性还表现在负级数边带强度远低于正级数边带强度的现象( 最明显时正负级二 级强度相差1 4 2 8 d b m ) ，另一方面在边带j 下负级数目上也有着很明显的不对称性， ( 负级数为2 个级数的边带，而正级数最多达到7 个级数的边带) ，存在五个级 数的差值。关于正负级数目不对称性的研究是对现象 2 l 】的一个有意义的补充， 同时对边带动力学机制的研究、边带产生原因以及如何消除边带等也有重大的意 义。 本论文的主要章节内容包括： 第一章首先介绍了光纤通信的发展概况，并详细介绍了国内外关于边带特性 的研究概况。 第二章介绍了光纤激光器的基本原理和分类，分析了锁模激光器的物理机 制，并详细分析了非线性偏振旋转技术等效快速可饱和吸收体实现被动锁模的原 理，阐述了光纤激光器输出光谱存在边带效应的现象。 第三章阐述了光纤激光器产生光谱边带效应的原因，理论上对光纤中传输的 孤子光波通过非线性偏振旋转装置后的透射率与光强及其偏振态的关系进行了 研究。研究结果表明，当调节偏振控制器方向和最强光波的偏振态一致时，可以 等效为可饱和吸收体而实现被动锁模输出无边带的超短脉冲；当偏振控制器方向 和最强光波的偏振态不一致时，锁模光谱上附有边带的出现。 第四章通过实验搭建了环形腔被动锁模掺铒光纤飞秒激光器平台，通过调节 偏振控制器至不同的角度，发现了边带级数在光谱的左右出现的多少及其不对称 华南师范大学硕上学位论文绪论 性的特性，并对左右级数的边带的偏移量和强度进行了测量，实验验证了上述理 论分析的正确性。本论文的边带特性的研究对于产生边带的物理学机制，动力学 方程及现实实验中出现的明显的边带不对称性，如何利用边带测色散，以及边带 的可控性等都具有重要的意义。 第五章对全文进行了概括性的总结，并对以后的研究应用作出了一定的展 望。 1 2 华南师范大学硕士学位论文光纤激光器的基本原理与技术 第二章光纤激光器的基本原理与技术 2 1 光纤激光器的分类 根据光纤激光器技术的发展情况，按照工作机制、谐振腔结构、光纤类型等 不同，目前光纤激光器主要可以分为以下几种2 9 。3 7 l ： ( 1 ) 谐振腔结构分类 可分为f - p 腔光纤激光器、环形腔光纤激光器、“8 ”字形腔光纤激光器、d b r 光纤激光器、d f b 光纤激光器。 ( 2 ) 按增益介质分类 稀土离子掺杂光纤激光器( n d 3 + 、e r 3 + 、y b 3 + 、t m 3 + 等，基质可以是石英玻璃、 氟化锆玻璃) 、非线性效应光纤激光器( 利用光纤中的s r s 、s b s 非线性效应产生 波长可调谐的激光) 、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器。 ( 3 ) 光纤结构分类 可分为单和双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器和特种光纤激光器。 ( 4 ) 按输出激光类型分类 可分为连续光纤激光器，超短脉冲光纤激光器、大功率光纤激光器。超短脉 冲激光器按照锁模机制，又可以分为主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器 和混合锁模光纤激光器。 ( 5 ) 输出波长分类 可分为s 一波段( 1 4 6 0 、1 5 3 0n m ) 、c 一波段( 1 5 3 0 、1 5 6 5n m ) 、l 一波段( 1 5 6 5 、1 6 1 0 n m ) ，可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。 2 2 光纤激光器的基本原理 光纤激光器和传统的其它激光器如半导体、气体激光器一样，由能产生光子 的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励 光跃迁的泵浦源三部分组成。 泵浦源一般采用高功率半导体激光器( l d ) ，增益介质为稀土掺杂光纤，谐 振腔由光纤和光学器件构成。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益 华南师范大学硕j ：学位论文 光纤激光器的基奉原理与技术 光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。所产生的自 发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。 目前光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质，比较成熟的有源 光纤中掺入的稀土离子有西“、y b “、n d 3 + 、p r 3 + 、t m 3 + 、h 0 3 + 。掺镱( 砀3 + ) 光纤激光器是波长1 0 0 0 1 2 0 0 的通用源，砀3 + 离子具有相当宽的吸收带以及相当 宽的激发带，泵浦源选择非常广泛。掺t m3 + 的激射波长为1 4 0 0 n m 波段，是重要 的光纤通信光源。工作在2 1 0 0 n m 波段的掺h 0 3 + 光纤激光器，由于水分子在 2 0 0 0 n m 附近有很强的中红外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该 波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。掺铒( 西3 + ) 光纤激光器既可以工作在连续状态下，又能以脉冲方式工作，而且在1 5 5 0 n m 波 长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，近年 来掺铒d 3 + 光纤激光器发展十分迅速。 光纤激光器受激辐射状态有两种，一种是三能级激射，另一种是四能级激射。 两者原理基本相同，但也存在差别，两者的差别在于较低能级所处的位置。在三 能级系统中，激光下能级即为基态，或是极靠近基态的能级。而在四能级系统中 激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁，通常为无辐射跃迁。电子从基态 提升到高于激光上能级的一个或多个泵浦带，电子一般通过非辐射跃迁到达激光 上能级。泵浦带上的电子很快弛豫到寿命比较长的亚稳态，在亚稳态上积累电子 造成电子数多于激光下能级，即形成粒子数反转。电子以辐射光子的形式放出能 量回到基态。这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回到增益介质中诱发受激发 射产生与诱发这一过程的光子性质完全相同的光子。当光子在谐振腔内所获得的 增益大于其在腔内损耗时，就会产生激光输出。理论上四能级光纤激光器的阀值 低于三能及系统。图2 1 ( a ) ( b ) 分别是三能级和四能级跃迁系统的简化能级图： 1 4 华南师范人学硕二l 学位论文 光纤激光器的基奉原理与技术 泵潘带 jl 脆级 车卜 泵浦带 纂态 萋态 绀三能级( 酚蹈能缀 图2 - 1 三能级和四能级跃迁系统的简化能级图 级 下面说明一下掺铒光纤激光器的能级系统，如图2 2 所示，下图所示是典型的 三能级系统。泵浦源一般可以由输出波长为9 8 0 n t o 或1 4 8 0 n m 的半导体激光器提 供，发射带位于1 5 2 5 1 5 6 5 n m 波长范围内。 l 、- 无辐射跃迁 、 、 l 抽1 4 8 0 n r a1 5 5 0 h m 甫泵浦泵浦 r 图2 2 掺铒光纤激光器三能级系统示意图 从效果上看，光纤激光器是一种高效的波长转换器，是一种固体激光器，即 由泵浦激光波长转换为掺稀土离子的受激辐射波长，其激射波长是由基质材料的 稀土掺杂元素所决定，不受泵浦波长的控制。通过利用与掺杂离子吸收光谱对应 的廉价短波长、高功率半导体激光器泵浦，就可以获得与掺杂离子受激辐射带相 对应的光谱输出，且泵浦效率较高。 华南师范大学硕士学位论文 光纤激光器的皋奉原理与技术 2 3 锁摸的物理机制 两种技术可用于产生短光脉冲，它们是q 开关技术和锁模技术。光纤激光器 中采用调q 技术得到的光脉冲脉宽一般较宽，约1 0 0r l s 左右，而锁模技术可以得 到短于1 0 0f s 的光脉冲，所以目前研究得更多的是利用锁模技术来产生短脉冲， 它在通信领域更具有潜在的应用价值。 所谓锁模就是模式锁定，有纵模锁定、横模锁定和纵横模同时锁定三种。产 生超短光脉冲的锁模是指纵模锁定，要求各振荡纵模的初相位锁定，一方面要求 任意相邻纵模之间的相位差为一固定值，有伤“伤= 常数，另一方面各振荡纵 模频率间隔相等并固定，即a v = c 2 n l 。 对于锁模后的激光，设各振荡纵模的振幅为风，共有2 n + 1 个纵模振荡。其 中位于增益曲线中心的纵模角频率为缈0 ，初相位= 0 ，其纵模序数口= 0 。 若以此纵模为参考，各相邻纵模间的初位差为口，各纵模角频率间隔为a c o ，则 第q 个纵模的光波电场为： e g ( f ) = e 。c o s ( c 0 9 t + c p q ) = e 。c o s 。+ q a c o ) t + ga ( 2 1 ) 由于输出激光是2 n + 1 个纵模相干的结果，则总光场为： e ( f ) = e 。c o s 。+ q ac o ) t + g 口】 ( 2 2 ) g = 一n 假设所有模式都有相同振幅e o ，则利用三角级数求和总光强可表示为： s i n 2 去( 2 n + 1 ) ( a a ) t + 口) 】 m 2 = 厶2 羔t 二 ( 2 3 ) s i n 2 去( 研+ 口) 从上式可以分析得出： ( 1 ) 激光器的输出是间隔为丁= 2 三c 的规则序列脉冲，等于光在腔内来回 一次所需的时间。 ( 2 ) 锁模脉冲的宽度r 为： 】2 e1 弘丽i 一2 a v ( 2 n + 1 ) c 2 4 ) 2 + 1 “ 华南师范大学硕上学位论文 光纤激光器的肇本原理j 技术 由于a v ( 2 n + 1 ) 可看做2 n + 1 个纵模的总谱线宽度，所以锁模脉冲的脉宽与 激光器同时锁定的所有纵模的谱宽( 振荡线宽) 成反比关系。由于器件的振荡线 宽都小于净增益线宽，这就表明了工作物质增益线宽越宽，越有可能获得窄的锁 模脉宽，同时也表明了对于锁模激光器输出的光脉冲，其谱线宽度越宽，脉冲宽 度就越窄。 ( 3 ) 输出脉冲的峰值功率j 下比于e 0 2 ( 2 n + 1 ) 2 ，而自由运转