（光学专业论文）光纤中基于受激布里渊散射的慢光研究.pdf

中图分类号： u d c ： 学校代码： 1 0 0 5 5 密级： 公开 高蕊失淫 硕士学位论文 i8 a v b 的短脉冲，其中a v b 是布里渊线宽，激光器能够以单模方式稳定 运转；当a v l 1 0n s 的泵浦脉冲，群速度色散的影响可以忽略，三波耦合方 程可以简化。若泵浦脉冲和斯托克斯脉冲的峰值功率很低，自相位调制和交叉 相位调制的影响也可以忽略，由于脉冲宽度较大，声波对时间的偏导项可以忽 略，令垆i 历l2 ，其中舟或s ，8 = 0 ，则受激布里渊散射的瞬态变化由以下方程 组决定 一o l p + 丝= - g j , i , 一口(223)o z ，。o t ， 、。 一盟+ 土盟：孙，。l 一口厶 (224)o z v 。o t 一，5 。 、。 1 7 第2 章光纤中的受激布里渊散射 在稳态条件下，易、厶与时间无关，方程组简化为方程( 2 5 ) 和( 2 6 ) 2 4 本章小结 本章主要介绍了受激布里渊散射的基本理论，给出受激布里渊散射基本概 念及物理过程；结合实验研究讨论了布里渊阈值、布里渊增益等方面的特性， 指出影响布里渊阈值和布里渊增益的因素；给出了描述受激布里渊散射效应的 三波耦合方程。 1 8 一 ii。卜 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 受激布里渊散射具有的窄线宽、频率稳定、高相干性和增益方向敏感等优 点 3 8 , 4 0 1 使它在光纤激光器和放大器【3 9 1 、光延迟线h 1 1 、光纤传感【3 6 1 等领域有广泛 的应用，尤其是在研究光纤中的慢光时，布里渊光纤激光器更是主要的光源之一。 本章对布里渊单模光纤环形腔激光器进行了理论模拟和实验研究。理论部 分主要模拟了激光器的时域特性；实验部分主要研究了激光器的输出光谱特性、 功率特性以及时域特性。 3 1 理论模拟研究 本节对布罩渊光纤环形腔激光器进行了理论模拟。研究了激光器的时域特 性，讨论激光器运行状态随泵浦光功率的变化，为进一步的实验研究提供理论 依据。 3 1 1 理论模型 3 1 1 1 理论模拟采用的激光器结构 理论模拟采用的激光器结构如图3 1 所示，采用的参数分别是：l = 1 0 0 0m ， 反馈耦合比r = 0 0 5 、0 1 、o 2 ，n = 1 4 6 8 ，严3 1 0 8m s ，护1 5 5l a m ，g o = 5 x 1 0 d 1 州w ， p = 0 0 0 3w 一0 1 1w ，光纤损耗为a = 0 1 5d b k m 。模拟忽略了斯托克斯光在腔中 传输时相位的变化、偏振态的变化以及光学器件的插入损耗和熔接损耗等。 c i r c u l a t o r 芏s o ( 2 0 坤l e r l 图3 1 激光器结构图 1 9 第3 苹布里渊单模光纤环形腔激光器 3 1 1 2 连续三波耦合方程 单模光纤可认为是一维介质，受激布里渊散射过程通过电致伸缩使泵浦光、 斯托克斯光和声波相互作用，其中泵浦光用昂( 吻，知) 表示，斯托克斯光用以鳓， 患) 表示，声波用既( 纰= c o p - c o s ，乞= 岛+ 忽) 表示。将上一章中的三波耦合方程中的 二阶色散参量项去掉，并且忽略声速项，稍加变形，可得到慢变包络近似下三 波耦合复振幅表达式为【7 1 】： 鲁+ 吾鲁+ 形& = 一k e e o + e k e = 0 ，它满足：锈( x ，幌( x ，t ) = 烈x - x ) 6 ( t - t ) ，其中9 是由布里渊阈值 估计得出的参数，石( x ，t ) k e p 2 1 0 - 5 _ 1 0 击。本节考虑了由热激发声波噪声引起的自 发布里渊散射项。实验中，声波噪声源可以忽略，但数值模拟长腔光纤激光器 时，这一项起着重要的作用，它描述动态不稳定性。 光纤长度为三的谐振腔，布里渊增益曲线下包括的纵模数是： ：婴( 3 4 ) 5 菇( u r n ) 激光器动态特性的边界条件为： e p ( 0 ，) = k + 岛e p ( 厶f ) ，e ( 厶f ) = 肛e ( 0 ，f ) ( 3 5 ) 这里，是连续泵浦光的振幅。 砟，。= | 以。 e x p ( i o p 、。) ( 3 6 ) 砌，是振幅反馈系数。由于激光腔内插有光隔离器抑制泵浦光形成振荡，所以 旷o ，腔内只有斯托克斯光形成振荡。当足够大时，o # 0 ，但是这一项的影 2 0 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 响不大，可忽略。令r = i 风l2 来表示强度反馈系数，这样边界条件变为： e ( o ，) = ，巨( 厶r ) = 豇( o ，r ) ( 3 7 ) 3 1 2 数值求解方法 数值求解三波耦合方程使用的方法是有限差分法【7 2 1 ，利用欧拉算法和龙格 库塔算法进行求解，具体求解过程如下： 由于声波随时间变化很小，所以忽略声波对于时间的偏导项，利用公式( 3 3 ) 解出声波振幅的表达式： 包= ( 1 c r o ) g e ；+ ( 1 r o ) l ( 3 8 ) 将其带入泵浦光和斯托克斯光振幅表达式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 中，三波耦合方程就变成求 解泵浦光和斯托克斯光的两波耦合方程： 鲁+ 吾鲁= 一匕q 一考z 巨+ i k ri e , 1 2 髟+ ( 2 i k r 一7 k 2 i 巨1 2e ( 3 9 ) 鲁一吾警= 一名即l f g + i g r l e , 1 2e + ( z i g , + 等) 阱巨( 3 1 0 ) z 、f 是空间和时间坐标，光纤长三，泵浦光从z = o 入射。边界条件和初始条件分 别为： e 。( 0 ，) = e ( f ) ，e ，( 厶f ) = 0 ( 3 11 ) e 。，( z ，0 ) = 0 ( 3 1 2 ) 由耦合波方程( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 可以看出，方程的左边是关于厶f 的偏微分方程，不 能直接对其进行求解，需要进行转化，利用坐标变换公式t z = f f ，l t - - t = f + f( 3 1 3 ) z = 一f ，2 刍+ f 【j l j ) 可将偏微分方程变为移动坐标系中的常微分方程，再对这两个常微分方程进行 求解，此时耦合波方程的右边仍然是相向传输的两束光的耦合项。如果知道两 振幅函数在某一特定时间和空间点的值，即( 面，t o ) ，就可以用欧拉方法对变换 之后的耦合波方程进行积分，求出昂( o + 占6t o ) ，丘( 面，矿6 力。积分分别沿着厶 r 方向，从z = o ，t = o 开始积分，在两个方向的交叉点将两个数值结合起来就是系 2 1 统内此时刻、此位置点 包络函数。 虽然上述方法可以 一阶精度，本节讨论的 考虑利用龙格库塔方法结合欧拉方法对耦合波方程进行求解。利用高阶龙格库 塔方法需要注意几个问题：首先是计算的简便。多数常微分方程积分式在系统 内可以很好的应用，但是在边界处需要考虑特殊的情况。比如，利用高阶a d a m s 方法，每一个点的求解需要同时用到前几步积分函数的值，在接近边界的地方， 前面几步积分函数可能已经超出了系统，这样积分函数变得很复杂，所以对于 边界问题需要特殊处理，但这又会使积分很繁琐。为了解决这个问题，考虑使 用一步积分值的方法，即每一点的积分仅需要前一步积分函数的值。另一个需 要注意的问题是充分利用中间点的值精确求解。传统的四阶龙格库塔方法可用 于求解方程d y d x = ( x ，y ) ，从点( x n ，y n ) 开始积分，积分步长为h ，表达式为： 毛= h f ( ，) ， ( 3 1 4 ) k 2 = h f ( + h 2 ，虬+ 霸2 ) ， ( 3 1 5 ) 毛= h f ( x + h 2 ，+ 也2 ) ， ( 3 1 6 ) 缸= h f ( 毛+ 厅，y n + 毛) ， ( 3 1 7 ) y n + i = y n + ( 毛+ ：k 2 + 2 包+ 缸) 6 ( 3 1 8 ) 传统龙格库塔法在边界处求解的值最多是三阶精度，虽然只有边界的地方 是三阶精度，但是边界点作为起点再求解下一点时会引入这种低精度误差，随 计算的进行，这种误差会带入系统中每一个点，使每一个点都达不到四阶精度。 综上所述，要想很好的利用龙格库塔方法对耦合波方程进行求解，就需要 同时满足三个条件：( 1 ) 使用一步积分值( 2 ) 小偏差估计( 3 ) 利用中间点和最后点的 值精确求解。最后本节采用改进的四阶龙格库塔方法： y n + l 2 = y n + h a 2 1 f ( x n ，y n ) + a 2 2 f ( x n + 1 2y n + l 2 ) + 3 厂( + 1 ，y n + 1 ) 】 ( 3 1 9 ) 虬+ l = + h a 3 i 厂( ，此) + a 3 2 f ( x n + 1 2y n + l 2 ) + a 3 3 f ( x n + l ，以+ 1 ) 】 ( 3 2 0 ) 首先利用欧拉方法估计坐标变换后耦合波方程的值，将其带入四阶龙格库 2 2 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 塔方程进行循环迭代，直到求出的值误差小于一个无限小量，一般循环3 次， 这时认为包络函数的值为精确值，然后利用这个精确值求解下一个位置和时刻 点的函数值，这就是本节使用的数值求解方法。公式( 3 1 9 ) 、( 3 2 0 ) q b 的系数取值 分别是：a 2 ，= 5 2 4 ，a 2 2 = 1 3 ，口? 产1 2 4 ， a ；1 = 1 6 ，a 3 z = 2 3 ，a 3 ；= 1 6 。 3 1 3 数值模拟研究 3 1 3 1 激光器输出时域特性与泵浦光功率的关系研究 理论模拟发现，当泵浦光功率比较小时，激光器可以输出稳定的连续光， 如图3 2 ( a ) 所示，此时r = 0 0 5 ，p = 0 0 0 3w 。图3 2 ( a 1 ) 所示为斯托克斯光在腔内 传输前3 5 0 圈的情况，可以看出，斯托克斯光的强度( 图中用振幅的模表征强 度) 随时间的增加保持不变；当斯托克斯光在腔内传输9 9 0 1 0 0 0 圈时，如图3 2 ( a 2 ) 所示，斯托克斯光强随时间的增加仍然保持为一条光滑的水平线，由此可以断 定，p - - 0 0 0 3w 时，激光器输出为稳定的连续光。 言 邕 奄 必 差 琶 p = 0 0 0 3w a 2 t 【rt ，i r 图3 2 ( a ) 、( a 1 ) 、( a 2 ) 泵浦光功率为0 0 0 3w 时，激光器输出的时域特性 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 当增加泵浦光的功率到0 0 0 5w 时，发现激光器从输出稳定的连续光变为输 出稳定的脉冲，如图3 2 ( b ) 所示。图3 2 ( b 1 ) 所示为斯托克斯光在腔内传输前5 0 圈时激光器输出为振幅不断增大的周期振荡，振荡的频率为2 0 4k h z ，由于此时 腔长为1 0 0 0r n ，所以表明斯托克斯光在激光腔内渡跃一周输出一个脉冲；图 3 2 ( b 2 ) 所示为斯托克斯光在腔内传输9 9 0 - 1 0 0 0 圈时的情况，可以看出此时激光 器输出已经成为稳定的脉冲，称为布里渊孤子，脉冲的重复频率为2 0 0k h z ，此 时激光器工作在稳定振荡状态。 莒 邕 奄 掣 图3 2 ( b ) 、( b 1 ) 、( b 2 ) 泵浦光功率为0 0 0 5w 时，激光器输出的时域特性 继续增大泵浦光的功率到o 0 1w ，发现激光器的输出不再是稳定的孤子脉 冲，如图3 2 ( c ) 所示。在传输前5 0 圈斯托克斯光由振幅不断增大的周期振荡变 成驰豫振荡，如图3 2 ( c 1 ) 所示；当传输6 5 0 1 0 0 0 圈时我们发现此时激光器输出 是周期为1 8 9m s ，重复频率为o 5 3k h z 的周期振荡，如图3 2 ( c 2 ) 所示；图3 2 ( c 3 ) 、 图3 2 ( c 4 ) 所示分别为传输8 9 0 9 0 0 和9 9 0 1 0 0 0 圈时周期振荡的细微结构，从这 两幅图中可以看出，周期振荡中又包含振幅很小的振荡，小振荡的周期是4 9i t s ， 频率是2 0 4k h z ，此时激光器处于从布里渊孤子脉冲振荡到混乱状态的过渡区。 2 4 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 差 琶 言 邕 勃 掣 t t rt t r 图3 2 ( c ) 、( e 1 ) 、( c 2 ) 泵浦光功率为0 0 1w 时，激光器输出的时域特性 当泵浦光功率增大到o 0 5w 时，我们发现激光器此时仍然处于过渡区，如 图3 2 ( d ) 所示。斯托克斯光传输6 5 0 1 0 0 0 圈时仍然是周期振荡，如图3 2 ( d 2 ) 所 示，但是振荡周期变为1 3m s ，频率变为0 7 8k h z 。图3 2 ( d 3 ) 、图3 2 ( d 4 ) 所示 分别为传输8 9 0 9 0 0 和9 9 0 1 0 0 0 圈时周期振荡的细微结构，可以看出，周期振 荡中包含的小振荡的振幅有所增大，其周期仍然是4 9i x s ，频率仍然是2 0 4k h z 。 x 1 0 5 2 5 差 邑 图3 2 ( d ) 、0 1 ) 、( d 2 ) 泵浦光功率为0 0 5w 时，激光器输出的时域特性 当增加泵浦光功率到0 1 1w 时，发现激光器的输出变得很不稳定，成为混 乱状态，如图3 2 ( e ) 所示。此时，上面提到的周期振荡出现在传输5 0 - 2 5 0 圈时， 并且振荡幅度变大，周期变短为0 9 9m s ，如图3 2 ( e 2 ) 所示。图3 2 ( e 3 ) 所示为周 期振荡的细微结构，可以看出，传输1 5 6 - 1 5 8 圈时，每一个小振荡中又出现其 他的振荡频率成分。当激光器运行一段时间之后，多个振荡频率在腔内共存， 形成混乱状态，如图3 2 ( e 4 ) 所示。 2 5 2 摹，j 聋 ， 0 5 0 x 1 0 5 1 5 x l u e l 1 0 8 5 1 6 2 e 2 l 。一 1 0 ；蚕例 5 衅i 靠卉右1 5 0l o o1 柏2 0 02 一嘣臻麓翳缓缀缀翰糍麟黧糯缀翁臻镕i 翱 e脚小w 一 0 l 枷 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 1 0 0 0 t a 1 5 1 1 0 8 5 1 1 0 8 5 1 耋0 8 邑1 0 8 5 1 1 0 8 5 1 1 0 8 5 1 1 0 8 5 1 价rt ，t r 图3 2 ( e ) 、( e 1 ) - - ( e 4 ) 泵浦光功率为o 11w 变化时，激光器输出的时域特性 1 。i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i l 一 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ - - - _ _ 。- 。_ _ _ _ _ _ _ - i _ _ - - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - 3 1 3 2 激光器输出时域特性随泵浦光功率变化的原因分析 下面分析激光器输出上述时域特性的原因。当泵浦光功率为0 0 0 3w 时，激 光腔内的斯托克斯光较弱，此时激光腔内的克尔效应几乎可以忽略，激光器中 只有一个振荡频率，如图3 3 ( 1 ) 所示，此时激光器能够稳定运行，输出连续光， 如图3 2 ( a ) 所示；当增大泵浦光功率到0 0 0 5w 时，克尔效应随之增强，布里渊 散射自脉冲现象显现出来，腔内开始出现不规律的自脉冲，此时腔内存在多种 振荡模式，如图3 3 ( 2 ) 所示，但是这些振荡模式综合表现为孤子脉冲振荡，如图 3 2 ( b 2 ) 所示；继续增大泵浦光功率到o 0 5w ，激光腔内出现振荡频率非常接近 的两种频率，如图3 3 ( 3 ) 所示，它们的频率差是1 5 7 5k h z ，正好是图3 2 ( d 2 ) 中 所示周期振荡的频率的两倍，所以是这两个频率的拍频形成了周期振荡。当泵 浦光功率增大到o 1 1w 时，激光腔内出现很多振荡频率，并且没有规律性，如 图3 3 ( 4 ) 所示，这使得腔内的振荡模式竞争变得很复杂，最后所有振荡模式都形 成振荡，导致激光器输出混乱状态，如图3 2 ( e 4 ) 所示。 差 童 善 善 024 681 0 f r e q u e n c y ( h z ) 1 0 e 0 24681 0 f r e q u e n c y ( h z ) x10 e 图3 3 激光腔中的模式竞争 3 1 3 3 泵浦光被调制后的时域特性 2 7 0 佰 佃 同 5 4 3 2 1 o e、乏。口nl=ae 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 通过上面的分析我们知道，随着泵浦光功率的增加，激光器经历了稳定连 续输出、布里渊孤子脉冲振荡、振荡模式竞争过渡区和混沌状态，斯托克斯光 被调制成这些状态的同时，泵浦光也经历了相同的调制，这里举例说明。如图 3 4 ( a ) 所示为激光器输出布里渊孤子脉冲时泵浦光的状态，在斯托克斯光传输的 前5 0 圈，泵浦光和斯托克斯光一样，也是形成振幅很小但随时间不断增大的振 荡，在传输9 9 0 1 0 0 0 圈时，泵浦光形成稳定的斜三角式的脉冲，其重复频率为 2 0 4k h z ，与布里渊孤子脉冲的重复频率相同，如图3 4 ( b ) 所示。当泵浦光功率 为o 1 1w 时，激光器输出斯托克斯光为混乱状态，此时泵浦光也是混乱状态， 如图3 4 沁) 所示。 图3 4 泵浦光的时域特性 除了模拟r = 0 0 5 时激光器的功率特性之外，我们还模拟了r = 0 1 、0 2 时的 动态特性，与上述的结果相类似，激光器运行状态随泵浦光功率的增大也是经 历了稳定连续输出、布里渊孤子脉冲、周期振荡和混乱状态，不同之处是r 越 大，出现这四种状态所需要的泵浦光功率越小。 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 3 1 4 本节小结 本节对布里渊单模光纤环形腔激光器进行了理论模拟。从连续三波耦合方 程出发，结合边界条件，利用有限差分方法进行数值求解。求解过程使用欧拉 算法结合龙格库塔算法。 理论模拟得出，当泵浦光功率小于0 0 0 3w 时，激光器输出稳定的连续光， 当泵浦光功率大于0 0 0 3w ，小于0 0 0 5w 时，激光器输出布里渊孤子脉冲， 当泵浦光功率大于0 0 0 5w ，小于0 1 lw 时，激光器输出周期振荡，当泵浦光 功率大于o 1 1w 时，激光器输出混乱状态。 考虑计算的简便和实验中的一些参数无法获得等因素，理论计算选用的参 数与实验参数并不严格相同，另外理论模拟还忽略了斯托克斯光在腔中传输时 相位的变化、偏振态的变化以及光学器件的插入损耗和熔接损耗等，所以理论 模拟只能定性分析实验中激光器的动态特性。 3 2 布里渊单模光纤环形腔激光器实验研究 本节利用不同长度的标准单模光纤和具有不同反馈耦合比的耦合器构建了 多种布里渊环形腔激光器。通过对激光器的输出光谱特性、输出功率特性和输 出时域特性等的研究，得出当构建的布里渊环形腔激光器的反馈耦合比为o 4 ， 光纤长度为1 5k m 时，激光器具有低阈值、高转换效率、稳定的单模激光输出， 此时激光器阈值约为3m w ，光光转换效率为6 5 。通过研究、讨论对激光器的 结构参量进行了优化，同时通过调节偏振控制器，得到了稳定的布里渊孤子脉 冲输出，最后分析了激光器输出光功率时域不稳的原因。 3 2 1 布里渊单模光纤环形腔激光器泵浦源的制备 布里渊单模光纤环形腔激光器实验结构如图3 5 所示。泵浦源由分布反馈式 半导体激光器( d f b ) 和自制掺饵光纤放大器组成。激光器输出光峰值波长为 1 5 5 0n n l ，输出光功率小于1 0m w ，线宽小于5 0k h z 。其输出功率特性如图3 6 所示，输出光谱特性如图3 7 所示，此时输出功率为1 0m w 。 2 9 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 c 如跚晰 厂= 1 卜两 l 塑ll) ea i ，一、， p c g3 电 乙 州光敝l 乇三k 3 0 c 饥自 图3 5单模光乡二环形腔布里渊掳光器实验装置图 1 2 1 0 重8 l6 与 鲁4 0 2 -一 芝0 4 06 08 01 0 0 c u r r e n t ( m a ) 图3 6 分布反馈式半导体激光器输出功率特性曲线 n u 。：。t”j ?。j 一”j 7 ：一 ：强 h 高兮一2 0 翻 c h ：， i o 。 p c g “笔一4 0 ho ； ， 骂 h v p3 2 鼍一6 0 莲“矗矗缱躺娃乩盔毛玉函谶k 瞌，一。、。勉k 盔纽i ；醚舀篚娩如鬣艟醴矗妊旌。蹬蛾一 q - 8 0 1 5 4 81 5 4 8 51 5 4 91 5 4 9 51 5 5 01 5 5 0 51 5 5 11 5 5 1 51 5 5 2 w a v e l e n g t h ( n m ) 图3 7 分布反馈式半导体激光器输出光谱特性曲线 由于分布反馈式半导体激光器最大输出功率小于1 0m w ，考虑到以后实验 的需求，需要将d f b 激光器输出功率进行放大，放大装置如图3 8 所示。实验 3 0 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 中将激光器输出功率放大了两次，第一个掺铒光纤放大器由9 7 5n n l 半导体激光 器、光隔离器、9 8 0 1 5 5 0w d m ( w d m l ) 和一段长1 5n l 、掺杂浓度为6 0 0p p m 的 掺铒光纤( e d f l ) 组成。d f b 激光器与w d m l 之间连接光隔离器是为了避免放大 过程中光路中产生的杂散后向传播光进入d f b 激光器，损坏仪器。光隔离器对 于1 5 5 0n n l 光的最小隔离度为3 2d b 。 图3 8 放大装置结构图 d f b 激光器输出激光经过光隔离器进入w d m l ，由于光隔离器存在插入损 耗，使得进入w d m l 的1 5 5 0n l n 光的功率略有下降。9 7 5n n ll d 最大输出电流 为3 0 0m a ，但是l d 不适宜长时间在最大输出功率下工作，所以实验中选取l d 较为安全的输出电流2 0 0 m a ，此时l d 输出光功率经过w d m l 后约为6 6 7 m w 。 选取分布反馈式半导体激光器工作状态较佳时的输出功率2 4 8m w 作为信号光， 信号光经过第一个掺铒光纤放大器，功率放大为2 6 8m w 。 经过第一个掺铒光纤放大器放大后的激光经过光隔离器，再进入一个分光 比为3 ：7 的光耦合器( c o u p l e r ) 分成两束。其中分光7 0 的光束用做以后受激布 里渊散射慢光实验的泵浦光；分光3 0 的光束进入第二个掺铒光纤放大器进行 第二次放大，用做布里渊单模光纤环形腔激光器的泵浦光。本实验的布里渊环 形腔激光器将用作受激布里渊散射慢光实验中的信号光。 第二个掺铒光纤放大器由1 4 8 01 1 1 1 3 半导体激光器、1 4 8 0 1 5 5 0w d m 2 和一 段长2 8m 、掺杂浓度为6 0 0p p m 的掺铒光纤( e d f 2 ) 组成。其中1 4 8 0n nl d 输 出光功率最大是2 2 0m w ，3d b 带宽为0 2 8b 1 t i ( 由于激光器使用年代较长，其 输出功率略有下降) 。实验测量了第二个掺铒光纤放大器的输出功率特性，如图 3 9 所示，此时输入信号光功率约为8m w 。 第二次放大将8m w 的信号光放大为1 3 0m w ，此时1 4 8 0h i l l 泵浦光功率是 3 l 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 1 6 2m w ，放大器的斜率效率为8 5 5 3 ，光光转换效率为8 0 2 5 。 拿 e 霎 & 与 9 君 2 5 01 0 01 5 0 p u m pp o w a r ( m 旧 图3 9 放大器的输出功率特性 3 2 2 布里渊单模光纤环形腔激光器环形腔的制备 布里渊单模光纤环形腔激光器的环形腔结构由一个光纤环形器、光偏振控 制器、光隔离器和两个光耦合器( c o u p l e d 和c o u p l e r 2 ) ，以及选用o 5k m 到4 k m 长度不等的标准单模光纤组成。 经过两次放大的1 5 5 0n n l 激光作为激光器的泵浦光( 由于光纤熔接损耗、 光环形器的插入损耗等导致泵浦光功率由1 3 0m w 下降到1 1 2m w ) 。泵浦光经 过环形器进入环形腔，在腔内形成顺时针环形泵浦。当经过单模光纤时，由于 受激布里渊散射效应，光纤中将产生在环形腔内沿逆时针方向传播的斯托克斯 光，再经过光纤隔离器在环形腔中形成环形振荡，产生布里渊激光，并经由光 耦合器c o u p l e r l 输出。激光器输出功率经由1 ：1 光耦合器( c o u p l e r 2 ) 分光， 其中一束光输入光谱仪测量光谱特性，另一束光输入光功率计测量功率特性。 3 2 3 布里渊单模光纤环形腔激光器的特- | 生研究 实验除了分别采用不同长度的单模光纤外，还分别采用具有0 1 到0 9 等不 同反馈耦合比( 反馈到环形腔内的布里渊激光与所产生的总的布里渊激光的功 率比) 的光耦合器c o u p l e r l ，构建多种布里渊单模光纤环形腔激光器。实验分别 测量了各激光器的激光输出光谱特性、激光输出功率特性和时域特性。 3 2 3 1 反馈耦合比及光纤长度对布里渊光纤环形腔激光器光谱特性的影响 3 2 柏 加 加 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 实验发现，当激光器的反馈耦合比从0 1 到0 4 变化时，无论激光器的腔长 有多长，激光输出光谱都很稳定，没有观察到多级斯托克斯光现象；但是当反 馈耦合比从0 5 到0 9 变化时，随着激光器腔长的增加，激光器输出光谱中出现 多级斯托克斯光，并且，反馈耦合比越大，出现多级斯托克斯光现象所需要的 激光器的腔长越短，而且现象越明显。图3 1 0 所示为不同光纤长度和不同反馈 耦合比下出现多级斯托克斯光的情况。 4 三 + + + + 一：? u n s t a b l e 丫丫丫 3 5 i +十+丫v丫 言3 f +十幸+ 丫 丫丫 与2 5 十+f十+ v丫 窖 芒2 +v 昱 皇1 5 +十+ v 1l+ + 卡十 十 + + v o 占_ 一o ：r 1 7 1 菇砬广1 图3 1 0 不同反馈耦合比，不同光纤k 度下，出现多级斯托克斯光的情况 如上图所示，在反馈耦合比从0 1 到o 4 变化时，没有出现多级斯托克斯光； 在反馈耦合比是0 5 时，只有腔长是3 9 5k m 的激光器出现了多级斯托克斯光现 象，并且多级斯托克斯光并不稳定；随着反馈耦合比的增大，到反馈耦合比是 0 9 时，所有不同腔长的激光器都出现了多级斯托克斯光现象，并且斯托克斯光 很稳定。实验同时发现，当反馈耦合比为0 9 ，激光腔长从1 5l ( i i l 到3 9 5k m 变 化时，均出现2 0 条光谱线。如图3 1 1 和图3 1 2 所示，以反馈耦合比分别为o 1 和0 9 ，光纤长度为3k m ，泵浦功率为1 1 2m w 时的激光输出光谱图为例来说明。 从图3 1 1 中可以看出，在反馈耦合比为0 1 时光谱很平滑，没有出现多级斯 托克斯光现象，光谱的中心波长为1 5 4 9 9 4 2 3n n l ，而泵浦光中心波长是1 5 4 9 8 5 7 7 n r l l ，可以计算出，一级斯托克斯光中心波长较泵浦光中心波长长0 0 8 4 6n n l ，正 好是单模光纤的布里渊频移，由此可以证明此时激光器输出的激光是级斯托 克斯光。此时一级斯托克斯光的3d b 带宽为0 0 3 0 1n l n ，激光器输出功率为7 5 8 m w 。 3 3 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 蛊 3 h = 錾 2 詈 h 霉 艺 墨 们 虢“j ? | jj ：? i 一。7 ，1 ，。t 、，。”一一。w “ ? i 。i ”：。_ ”：。”j 黪 ；7。l ， 瑗 ； ；f ； 筋 ； ， ， j ； l ! 歹毪 i 7k i 一 曼 锄? 。? j ，| 、j jj j t 钨。i 毫。j 镀7 j i - ： ， 。j z j i ? ：jj ，。i 二。j m 。? wj j l “? i 二凌 昌 口 h 们一 。 山 口 面 o o c a 图3 1 1 激光输出光谱图。k = o 1 ，l = 3k m ，p = - 1 1 2m w ，, - z ? 7 ；- j j v j j j 。+ 。7 。? i 。7 一，j ” 。i 7 = 。5 i 一。j j ，。? 。一 l j l l 肤 ；， f。艘缮 ： vv 嗽l 。 j 。茂。 j v 7”v 诚氏 。i 。一jj 。?。i j 。j 一 一j 。7 j 霭 图3 1 2 激光输出光谱图。k = 0 9 ，l = 3k m ，p = - i1 2m w 从图3 1 2 中可以看出，在反馈耦合比为0 9 时，光谱图中出现了多级斯托 克斯光现象，光谱的中心波长为1 5 4 9 9 4 2 3h i l l ，3 d b 带宽为0 0 3 1 7n m ，激光器 输出功率为1 3 9 2m w 。如上所述，这是一级斯托克斯光光谱峰值波长，其余每 相邻两个峰的中心波长均相差约为o 1 7h i l l ，正好是单模光纤布里渊频移的两倍， 由布里渊散射的基本理论知识可以知道，布里渊散射产生的斯托克斯光的传播 方向与泵浦光相反，所以，偶数级斯托克斯光的传播方向相同，奇数级斯托克 斯光的传播方向相同，由于本实验的环形腔中加入了光隔离器，使得只有逆时 针方向传播的光能够输出，所以由此断定在中心波长1 5 4 9 9 4 2 3i i i l l 的右侧分别 是三、五、七、九等级次的斯托克斯光，在中心波长1 5 4 9 9 4 2 3n i i l 的左侧分别 是一、三、五、七等级次的反斯托克斯光。 3 4 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 反斯托克斯光产生的原因是一级斯托克斯光强度增大到布里渊阈值会激发 更高级的斯托克斯光，但是由于激光腔只允许逆时针传播的光起振，所以偶数 级斯托克斯光被抑制，奇数级斯托克斯光沿顺时针方向起振，第三级斯托克斯 光与第一级斯托克斯光的四波混频产生了第一级反斯托克斯光，它同样沿着顺 时针方向传播，同理，第五级斯托克斯光与第一级斯托克斯光的四波混频产生 了第二级反斯托克斯光，以此类推，所以光谱图上出现了多级斯托克斯光和反 斯托克斯光。 由于以后的工作需要布里渊环形腔激光器仅输出一级斯托克斯光，所以在 以后的实验中应该合理选择激光器的反馈耦合比和光纤长度来避免出现高级次 斯托克斯光。 3 2 3 2 反馈耦合比及光纤长度对布里渊光纤环形腔激光器功率特性的影响 实验发现，在反馈耦合比从0 1 到0 4 变化时，激光器输出功率特性变化规律 相似；从0 5 n o 9 变化时，功率特性相似；并且光纤长度从o 5k m n 3 9 5k m 变化 时，功率特性变化一致，所以文中选取有代表性的参数来说明激光器功率特性。 实验选取激光器的反馈耦合比分别是：0 1 、0 4 、0 5 、0 9 ，光纤长度分别 是0 5k m 、1 5k m 、3 0k m 、3 9 5k m 。如图3 1 3 中( a ) 、( b ) 所示，当光纤长度从 0 5k m 到1 5k m 变化时，激光器阈值迅速减小，并且( a ) l n 中的最大输出功率迅 速增加，但是( b ) 图中的最大输出功率变化不大；当光纤长度从1 5k m 到3 9 5k m 变化时，激光器阈值变化不大，最大输出功率也变化很小。如图3 1 3 中( c ) 、( d ) 所示，当光纤长度从0 5k m 到3 9 5k m 变化时，激光器阈值变化较小，并且最 大输出功率随光纤长度的增加反而减小，反馈耦合比越大，随光纤长度的增加， 最大输出功率减小的越明显。 8 0， ，矿 p u m pp o w e r ( m w ) 喜 i 重 芎 鲁 o 3 5 p u m pp o w e r ( m w ) 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 差 i 考 1 1 羞 吾 砉 = 詈 雪 雪 0 p u m pp o w e r ( m w ) 图3 1 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 为激光器的反馈耦合比分别为0 1 、0 4 、0 5 、0 9 ，光纤长度分别 是0 5k m 、1 5k m 、3 0k m 、3 9 5k m 时，激光器输出功率随泵浦功率的变化 分析认为，当反馈耦合比从0 1 到0 4 变化时，反馈回激光腔的光强较弱， 参与布里渊散射的光纤越长，转化成斯托克斯光的泵浦光越多，激光器阈值迅 速减小，最大输出功率迅速增加，但是由于存在光纤的吸收、光纤弯曲损耗以 及瑞利散射非线性效应等，激光器阂值和最大输出功率并不随光纤长度的增加 无限的减小和增加，而是存在一个最佳光纤长度值，使激光器阈值最小，输出 功率最大。当反馈耦合比从o 5 到0 9 变化时，反馈回腔内的光强很大，较短的 光纤也能使得激光器达到阈值，产生布里渊散射，所以激光器闽值随光纤长度 的增加变化不大。此时环形腔内蓄积了很强的斯托克斯光功率，以至于产生了 多级斯托克斯光散射，反馈耦合比越大、光纤越长，产生的斯托克斯光散射的 级次越大，由于每一级散射的转化效率都小于1 0 0 ，所以激光器最大输出功率 随反馈耦合比和光纤长度的增加而减小。 3 2 3 3 反馈耦合比及光纤长度对布里渊光纤环形腔激光器阈值的影响 图3 1 4 所示为不同反馈耦合比下，激光器阂值随光纤长度的变化曲线。从 图中可以看出，当光纤长度小于1 5k m 时，各激光器的阈值随光纤长度的增加 显著减小；并且，随着反馈耦合比的减小，阈值减小的陡度变得剧烈。当光纤 长度为1 5k m 以上时，各激光器的阈值随着光纤长度的增加基本保持不变；同 时，在相同光纤长度下，反馈耦合比为o 1 至0 4 的各激光器阈值随着反馈耦合 比的增加而显著减小；而反馈耦合比为0 4 至0 9 的各激光器的阈值基本保持不 变，约为3m w 。分析认为，当反馈耦合比从0 1 增至0 4 时，激光腔内的受激 散射效应随反馈耦合比的增加显著增强，并在反馈耦合比为0 4 时达到最强；此 3 6 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 后，随着反馈耦合比的增加，激光腔内受激散射效应一直处于最强状态，几乎 无变化。所以，反馈耦合比为0 1 至o 4 的各激光器的阈值随着反馈耦合比的增 加而显著减小；而反馈耦合比为0 4 至0 9 的各激光器的阈值基本保持不变。 f i b e rl e n g t h ( k m ) 图3 1 4 激光器泵浦阈值随光纤长度及反馈耦合比的变化 3 2 3 4 反馈耦合比及光纤长度对布里渊环形腔激光器光光转化效率的影响 图3 1 5 所示为不同反馈耦合比下，激光器的光光转化效率随光纤长度的变 化。 琴 o o f 己 攀 f i b e rl e n g t h 【k m ) 图3 1 5 激光器光光转换效率随光纤长度及反馈耦合比的变化 实验发现，在反馈耦合比从0 1 到0 4 所构建的各激光器中，激光器光光转 换效率随光纤长度的增加成起伏式缓慢增加，这种起伏规律随反馈耦合比的不 同而不同。在反馈耦合比从0 5 到0 9 构建的各激光器中，光一光转换效率随光纤 3 7 一lc一口一oc小=c_qc：ci 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 长度的增加成下降趋势，并且随着反馈耦合比的增加，光光转换效率显著减小。 分析认为，在小于等于0 4 的反馈耦合比下，随光纤长度的增加，泵浦光与 光纤的作用距离变长，从而转化的斯托克斯光越多。实验同时发现，此时输出 的单模激光光谱很稳定，没有观察到多级斯托克斯光的影响。而当反馈耦合比 为0 5 及以上时，由于反馈到环形腔内的激光功率较大，不仅减小了激光输出功 率，也使得输出激光受到多级斯托克斯光的较大影响。实验中观察到此时激光 输出光谱的展宽和高级次斯托克斯分量的出现；随着反馈耦合比和光纤长度的 增加，高级次斯托克斯分量输出功率将进一步增加，从而形成多波长激光输出。 3 2 。3 5 反馈耦合比及光纤长度对布里渊光纤环形腔激光器时域特性的影响 实验中采用示波器测量激光器输出激光，发现激光器输出激光功率在时域 上不稳定，图3 1 6 是截取其中一幅示波器显示图样说明激光器时域特性。此时 激光器泵浦功率为4 0 5m w ，示波器显示屏上水平方向每格代表5p s ，垂直方向 每格代表1 0m v 。 口 图3 1 6 激光输出时域特性 除了上一节提到的克尔效应能够使得激光器输出功率不稳定之外，还有许 多外部因素也能引起激光器输出功率不稳定，如泵浦光本身频率抖动和功率起 伏、周围环境的变化、温度的改变引起折射率和腔长的变化【38 、环形腔中存在 的两个本征偏振模的相互作用【_ 7 3 。7 4 1 等。实际实验中可以使用保偏光纤，并且将 保偏光纤从中点处截断，两端相互旋转9 0 0 再熔接起来，这样可以避免由于本征 偏振模相互作用而导致的功率不稳定。在激光器腔内插入偏振控制器，通过偏 3 8 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 振控制，也可以调节激光器输出稳定性。另外，使用法拉第旋转镜和特殊设计 的腔内标准具组成f p 腔结构也可使偏振稳定l 7 5 j 。利用伺服回路系统使得泵浦 光频率和偏振态与环形腔的共振频率以及本征偏振态匹配，使用温控装置精确 控制实验环境的温度也可以使得激光输出稳定1 3 引。 根据上一节的理论模拟，本实验仔细选择泵浦光功率使激光器运行在稳定 振荡状态，并且选用在激光腔中加入偏振控制器的方法来使激光器输出功率稳 定，如图3 1 7 所示，实验得到了较为稳定的布里渊孤子脉冲输出。 p 口 t ( s ) 图3 1 7 激光器输出较为稳定的布里渊孤子脉冲 t ( s ) 图3 1 8 激光器输出较为稳定的脉冲 此时泵浦光功率为2 6m w ，激光输出平均功率为7 4 5m w 。示波器显示屏 3 9 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 水平方向每格代表2 肛s 。图3 1 8 所示为单个布里渊孤子脉冲。脉冲宽度为2 6 6n s ， 重复频率为2 0 0k h z ，此时示波器显示屏水平方向每格代表2 0 0 i l s 。 由于在实际实验中我们无法控制光的偏振态在传输过程中保持严格的一 致，也无法严格控制泵浦光的稳定性以及实验环境的温度等因素，所以实验并 没有得到理论模拟得出的激光器输出连续光的稳定态。 3 2 4 本节小结 本节重点介绍布里渊单模光纤环形腔激光器的实验研究。详细介绍了激光 器泵浦源的制备、激光器环形腔的制备以及激光器的各种特性。通过对布里渊 单模光纤环形腔激光器的输出光谱特性、输出功率特性以及输出时域特性的分 析，获得了激光器反馈耦合比和组成激光腔的光纤长度对激光器输出功率、阈 值、光光转换效率、激光光谱特性和时域特性的影响。实验发现，当构建布里 渊单模光纤环形腔激光器的输出耦合器的反馈耦合比为o 4 ，光纤长度为1 5k m 时，激光器具有低阈值、高转换效率、稳定的单纵模激光输出，此时激光器的 阈值约为3m w ，光光转换效率为6 5 。本节通过研究、讨论实现了对激光器 的结构参量的优化，为以后受激布里渊散射慢光实验奠定了坚实的基础。 3 3 本章小结 本章对布里渊单模光纤环形腔激光器进行了理论模拟和实验研究。理论模 拟从连续三波耦合方程出发，利用有限差分方法数值求解，求解过程使用了欧 拉算法结合龙格库塔算法。 理论模拟得出，当泵浦光功率小于o 0 0 3w 时，激光器输出稳定的连续光， 当泵浦光功率大于0 0 0 3w ，小于o 0 0 5w 时，激光器输出布里渊孤子脉冲， 当泵浦光功率大于0 0 0 5w ，小于o 1 1w 时，激光器输出周期振荡，当泵浦光 功率大于0 1 1w 时，激光器输出混乱状态。 实验研究了激光器的输出光谱特性、功率特性以及时域特性。通过研究激 光器反馈耦合比及激光腔的光纤长度对激光器输出功率、阈值、光光转换效率、 光谱特性和时域特性的影响发现：当构建的布旱渊单模光纤环形腔激光器的反 馈耦合比为0 4 ，光纤长度为1 5k m 时，激光器具有低阈值、高转换效率、稳定 第3 章布里渊单模光纤环形腔激光器 的