（光学专业论文）全光纤调q激光器及激光模式的研究.pdf

南开大学硕士论文 摘要 ( 1 )对光纤光栅激光器的q 开关一光纤m- z 干涉仪的从理论和实验两个方面 进行了 研究。观测了光纤m - z 干涉仪输出 特性， 证明了 光纤m - z 干涉仪是一种梳 状滤波器。 ( 2 )干涉仪在外加信号的驱动下，得到稳定的调q 激光脉冲输出，输 出频率在1 0 0 -9 9 9 h z 之间连续可调，脉冲占空比为1 0 0 0 : 1 :峰值功率达 1 . 2 w，适当增加干涉仪的自由光谱范围，脉冲宽度进一步被压窄，由原来 的4 .2 u s ，压缩到1 1 1 s e ( 3 ) 全光纤调q 激光器，在没有驱动信号的情况下，得到自 调q 脉冲， 测量了 在不同 泵浦功率条件下对自 调q 现象的影响，并从理论上给予了 合理 的分析。 ( 4 )利用悬臂梁方法调谐光纤光栅实现光纤激光器的波长线性调谐，线性 拟合度为0 . 9 9 9 7 ，得到了5 .7 m n 的调谐范围，该激光器的线宽小于0 . l n m，输出 功率大于1 .2 m w, ( 5 )利用球面腔扫描干涉仪研究了光纤激光器的模式结构，从理论上对球 面 腔 扫 描 干 涉 仪 测 线 宽 断了 推 导 ， 提 出 了 两 种 “ 线 宽 光 纤 激 光 牢 关键词:光纤光栅，调q ， 可调谐，干涉仪， 南开大学硕士论文 ab s t r a c t f i b e r l a s e r , a s a n e w s u b j e c t , h a s b e e n d e v e l o p i n g r a p i d l y i n r e c e n t y e a r s , e s p e c ia l l y t h e s h o r t p u l s e f i b e r l a s e r . b e c a u s e o f i t s p o t e n t i a l a p p l ic a t i o n i n b o t h o p t i c a l s o li t o n a n d o p t i c a l t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g c o m m u n i c a t i o n s y s t e m i n t h e f u t u r e , i t r e c e i v e d m o r e a n d m o re a t t e n t i o n . i n th i s p a p e r , t h e a u t h o r g e n e r a l i z e s t h e l a t e s t d e v e l o p m e n t o f q - s w i t c h l a s e r a n d i n t r o d u c e s t h e c o m m o n q - s w i t c h . t h e a u t h o r u s e s f i b e r m- z i n t e r f e rom e t e r a s q - s w i t c h , r e a l i z e t h e fi b e r l a s e r a s a l l f i b e r d e v i c e . we s t u d i e d t h e a c t iv e q - s w it c h in g , s e lf - q - s w it c h i n g , t h e w a v e l e n g th t u n e a n d t h e m o d e s t r u c tu r e s . t h e m a i n c o n t e n t i s f o l l o w i n g : ( 1 ) i n t h e o ry a n d p r a c t i c e , t h e q - s w i t c h -fi b e r m - z i n t e r f e ro m e t e r i s r e s e a r c h e d , o b s e r v e d t h e i n t e r f e r o m e t e r s p e c t r u m o f f i b e r m- z in t e r f e ro m e t e r , p r o v i n g t h a t f i b e r m- z i n t e r f e r o me t e r i s a k i n d o f c o mb f i l t e r . ( 2 ) f i b e r m - z i n t e r f e r o m e t e r d r i v e n b y o u t s i d e s ig n a l , l a s e r p u t o u t s t a b l e q - s w it c h e d l a s e r p u l s e s , t h e o u t p u t fr e q u e n c y c a n b e t u n e d f r o m i o o h z t o 9 9 9 h z c o n t i n u o u s ly , d u t y c y c l e i s 1 : 1 0 0 0 , p e a k p o w e r r e a c h 1 .2 w , i f p r o p e r l y d e c r e a s i n g f r e e s p e c t r u m r a n g e o f i n t e r f e r o m e t e r t h e p u l s e - w i d t h c a n b e f u r th e r c u t d o w n f r o m 4 .2 v s t o 1 i1 s . ( 3 ) w i t h o u t d r i v i n g s i g n a l , a l l fi b e r q - s w it c h e d l a s e r s c a n a c h i e v e s e l f q - s w i t c h e d p u l s e , m e a s u r i n g t h e e f f e c t o f d i ff e r e n t p u m p e d p o w e r t o s e l f q - s w i t c h e d a n d g i v i n g r e a s o n a b l e t h e o ry a n a l y s i s ( 4 ) u s i n g c a n t i l e v e r b e a m t o t u n e 、 f i b e r g r a t i n g t o a c h i e v e w a v e l e n g t h l i n e a r t u n i n g o f f i b e r l a s e r , l i n e a r d e g r e e i s 0 .9 9 9 7 , g e t t u n i n g r a n g e o f 5 .7 n m , t h e w i d t h o f l a s e r i s l e s s t h a n 0 . 1 nn, o u t - p u t p o w e r i s m o r e t h a n 1 .2 m w . ( 5 ) s t u d y in g m o d e s t r u c t u r e o f fi b e r l a s e r b y s p h e r ic a l s u r f a c e s c a n n i n g i n t e r f e r o m e t e r , i n t h e o ry d e d u c i n g t h e m e t h o d o f m e a s u r i n g w i d t h b y s p h e r i c a l s u r f a c e s c a n n i n g i n t e r f e ro m e t e r , p r o p o s i n g t w o k i n d o f n a r r o w w i d t h fi b e r l a s e r s . k e y w o r d s : f i b e r g r a t i n g , t u n a b l e i n t e r f e r o me t e r 南开大学硕士论文:第一章绪论 第一章绪论 光纤激光器具有波导式的结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率密度。 且损耗低。由于光纤的几何特点，使得这种结构具有较高的面积一体积比，因 而其散热效果很好，泵浦效率高。这就决定了以硅为基质的光纤激光器可以 在 较低的功率泵浦下工作在连续的输出状态。光纤的圆柱形结构还具有以下两个 优点，便于在光通信和医学中应用。首先，由于光纤激光器本质上是一种光纤 结构，因此它可以以较高的祸合效率与目前的光纤传输系统连接。其次，由于 光纤结构小巧便于操作，在某些医学应用中是非常理想的。光纤激光器可以提 供许多输出 波长，其中某些波长对于光通信是非常重要的。输出波长由 掺杂到 纤芯中的稀土元素离子所决定。1 .3 3 u m和 1 .5 5 11 m波长的输出是最重要的，它 们对应于光通信的两个低损耗窗口。1 . 5 5 p 功 波长的输出可以利用半导体器件作 为泵浦源，因此意味着用较低的成本即可实现有价值的激光输出。目 前，利用 光纤激光器得到了2 - 3 11 m范围内的激光输出，这个波段在更低损耗的中红外通 信中有着潜在的应用价值。所以 近几年光纤激光器成为学术界研究的一热门 课 题。而短脉冲光纤激光器在朱来的光时分复用通信系统中具有潜在的应用价值， 也受到 普遍的 关 注。 本论文 的主要内 容是对全光 纤调q激光器的 研究， 为了 便 于深 入讨论全光 纤调q激光器， 我们首 先简 单介绍一下光 纤激光 器和调q激光 器。 1 . 1光纤激 光器的 基本原 理 光纤激光器和其它的激光器一样，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。如图 1 . 1所示。因而光纤激光器也有着和其它激光器相同的基本 原理 即， 泵浦光( 在 此为 波长为人 。 的 激光束) 将掺入光 纤中的 稀土杂 质离子的电子由基态激发到高能态，这种高能态电子的寿命较短，很快就 通过非辐射形式( 放出光子) 弛豫到寿命较长的亚稳态上， 然后以辐射 ( 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 增益介质 ( 光纤)中诱发出新的辐射跃迁，这也就是通常所说的受激发射。 尽管最初的光子来源于自发辐射，但通过反馈谐振，受激发射光子越来越 多，即光子在这种谐振过程中获得了增益。一旦光子在腔内获得的增9士 南开大学硕士论文:第一章绪论 于其在腔内所遭受的损耗 ( 如散射、吸收等) ，就会在谐振腔的输出端得 到激光输出。因此，要得到激光输出，必须满足两个条件，即粒子数反转 条件和阂值条件。前者要求处于 泵 浦 面 镜 掺 稀 土 元 素 光 纤面 镜2 激 光 输出 二 二= 二 念 -一一卜 未被吸收的泵 浦光 图 1 . 1 光纤激光器结构 激光上能级 ( 亚稳态)的粒子数大于激光下能级的粒子数。后者则要求这 种粒子数要反转到一定程度，即达到由腔内增益和损耗所决定的阐值。一 旦出现粒子数反转，在腔内就有光子的正增益产生;而若达到阐值，则在 腔内出现净增益。 下面将分别讨论光纤激光器谐振腔的基本结构与特性。 对激光器来说，谐振腔是必不可少的部分，由它获得光子的反馈、振 荡和增益，因而使得激光器具有阐值条件。最早的激光器是采用端面泵浦 图 1 . 2 光纤横向祸合的f p 腔 的平面腔或法布里一 拍洛( f - p ) 腔，如图 1 . 1 所示。作为增益介质的掺稀土元 素光纤，对泵浦光与激射光都能以单模传播。 借 助于光纤祸合器， 可以 构成多 种谐振腔1 1 。 图1 . 2 ( a ) , ( b ) 均为 横向 m合器 的 f - p腔，共同的特点是泵浦光输入和激光输出均直接通过光纤端面而不经过 面镜，但前者是在祸合器具有低祸合比时有高的谐振腔精度常数，而后者则是 在高祸合比时才有高的谐振腔精度常数。两者均需要高的面镜反射率和低的光 纤与镜面界面损耗、低的祸合损耗。 南开大学硕士论文:第一章绪论 介 图 1 . 4光纤环形谐振腔结构 图 1 .4中( a ) , ( b ) 的共同特点是均不需要面镜，可以消除平端光纤与 面镜的光学祸合损耗。其中( a ) 与( b ) 结构上的差别在于前者将光纤方向祸合 器的两个臂熔为固定接头，由此会带来腔内损耗。和 f p腔一样，若增加 精细常数， 虽不降低激光器闲值， 但与此同时将使斜率效率降低。 图1 . 4 ( b ) 结构的腔内损耗很小，因而可用普通光纤作成无源谐振腔，可以得到比f p 腔高很多的精细常数。 图 1 . 5表示一种非谐振的干涉仪结构，这在光传感 ( 如光纤陀螺)中 称为s a g n a c 干涉仪。泵浦光从分路器的一个端口 输入，由分路器分为在环 图 1 . 5光纤环形镜结 内顺时针方向与反时针方向的光，两者在分路器处相千叠加后，可以从输 入端输出形成反射波，也可从另一端输出形成透射波。设分路器的分路比 为k ， 如忽略分路器本身的损耗和光纤的损耗，则透射功率p 。 反射功率p r 分别为: p ,= ( 1 - 2 k ) z p ,. ( 1 . 1 ) p ,= 4 k ( 1 - k ) p j ( 1 . 2 ) 其中， p ,. 为入射泵浦功率。显然当分路比k为。 或 1 时，都有p t= o , p ,= p ; 而当k = 1 / 2 时则有p , o ,p ,= p , 。 这种结构起到了 光纤分布 反射镜的作用。 图 1 . 6是两个光纤环行镜串接结构。这种结构既不需要面镜，又允许 南开大学硕士论文第一章绪论 两个反射元件的反射率分别控制。 图1 . 6串接光纤环行镜结构 图1 . 7 是所谓f o x - s m i t h 谐振腔，可将其看成是具有一个共同臂的横向 图1 . 7 f o x - s m i t h 谐振腔结构 祸合光纤 f - p腔的结合。当两个腔腔长满足很接近但不精确相等的整数比 值时，这种结构具有选模作用。 图 1 . 8光纤马赫一 曾特尔干涉仪结构 图1 . 8 ( a ) 和( b ) 实质上分别为透射式和反射式光纤马赫一 曾特尔干涉仪结 构。都可用作光纤激光器的调 q开关使用。在后面的章节中作为论文的重 点进行讨论。 粼. 2 调g 激光器 在光时分复用和孤子光通讯中，超短光脉冲在未来的高速光通信系统 中有着潜在的应用价值。今天，实现光时分复用可能的光源有增益开关半 导体激光器，锁模外腔半导体激光器和脉冲光纤激光器等。其中脉冲光纤 南开大学硕士论文 第一章绪论 激光器被看成最有前途的光源之一。短脉冲光纤激光器在光纤放大器的基 础上，用掺饵等掺杂光纤作为增益介质，加入祸合器、调制器、光纤光栅 及反馈装置等构成。在众多的脉冲激光器中，利用调 q值的方法，也是实 现激光器脉冲输出的有效方法。调 q光纤激光器的基本原理是在光纤谐振 腔内 插入调制器件， 周期性地改变腔内 增益和损耗， 来实现q开关的作用。 常用到的调制器件有:电一光或声一光调制器，光纤迈克尔逊干涉仪结构， 光纤马赫 曾特尔干涉仪结构等 ，另外一种简单但又有效的方法是利用机 械型的斩波器，这种方法得到的激光脉冲输出宽度较宽，且不便应用到光 纤激光器中，但其优点是脉冲之间一点输出也没有。一般调 q激光器和光 纤调q激光器原理是相同的，如果把调q开关通过适当途径，放置到光纤 激光器腔内，就可以实现光纤调q激光器。 下面先介绍几种常见的q开关: 1 . 2 . 1声光q开关 声光q开关是一种典型的布拉格 ( b r a g g ) 行波声光偏转器。图1 . 9 为 其结构示意图一块光透明介质 ( 声光介质) ，其一边用声祸合介质 ( 兼作 下电极) ，并粘接一压电转换器。在转换器上蒸镀上电极;另一边粘接吸 声材料。压电换能器广泛采用 x - 0 0 切割石英晶片或 y - 3 6 ” 切割的妮酸锉 ( l in b o , ) 换能 器用射频源驱动。当射频信号的 频率等于晶片的固有频率时， 晶片作弹性振动的幅度达到最大。一般换能器的带宽为十几 mh z 。这个弹 性振荡通过祸合介质馈入声光介质， 引起介质的密度呈周期变化， 如图1 . 1 0 密度大地方折射率大;密度小的地方折射率小。由于这种折射率的周期性 变化而形成了相位衍射光栅，光栅常数等于超声波的波长a。当一束光入 射到声光介质时，就会产生声光相互作用，相互作用长度l 二时所谓 光栅称为 “ 体”光栅。如果光的入射角0 ， 满足 又 s i n 夕 .二一 透射光就仅有 为布拉格衍射 格行波偏转器 0级和 1 级 ( 或一 1 级)光，视入射光方向而定 ( 1 . 7 ) 。这种衍射称 0 ， 称为 布拉格角。该光栅以声速、 ， 传播，这种器件称布拉 。0 级和 1 级光的强度分别为 t o =i , c o s 2 坐 ( 1 . $ ) 南开大学硕士论文:第一章绪论 ， a m ! , = 1 , s i n- 2 ( 1 . 9 ) i ， 为 入 射 ，七 强 ， a o = 晋 a n 是 光 通 过 声 光 介 质 产 生 的 相 移 。 “ 二 尸 ( 马 区 动 源功率) 。若选择机电祸合系数大的材料作换能器，并适当选择声光作用 长 度l 和 驱 动 功 率” ， 以 及 适 当 的 粘 结 工 艺 ， 可 使 ， 接 近 %。 此 时 透 射 光的0级强度很弱，光能几乎全部分布在 1 级的方向上，这样，光束通过 声光介质之后也就发生了偏转。好的声光偏转器的衍射效率达 8 0 %以上。 : 电极 换能异 公 ，/， 必必 !公 图 1 . 9声光偏转器结构示意图 把声光q开关置于激光器腔内，当 接通射频源时， 光束经过声光介质 后发生偏转，逸出腔外，此时谐振腔的 q值很低，可进行激光上能级粒子 数的积累。当积累到足够多时，切断射频源，声光介质中超声场消失。腔 内q值突然变大，从建立起级强的激光振荡，实现了调q巨脉冲输出。 图 1 . 1 0声光介质的超声行波 场 射频源的输出信号是一列调幅波，载波频率接近压电换能器的固有频 率， 一般为数十一 l o o m h z 。 调制频率选择与工作物质的 荧光寿命: : 有关， 若激光振荡的脉冲间隔与工作物质的下 ， 相同，则声光调 q的有效利用率 最高。如果调制频率过高，反转粒子数密度达不到最大值，输出激光脉冲 南开大学硕士论文:第一章绪论 的峰值功率会降低;若重复频率，则自发辐射损耗了部分反转粒子数，也 影响器件的效率。不同的激光器，调q的重复频率不同，一般声光调q激 光脉冲的重复频率为数千 h z . 1 .2 .2 . 电 光调q开关 有些晶体在外加电场作用下其折射率会发生变化。通过晶体的 。光和 e光之间就产生相位差，从而使光束的偏振面发生偏转的现象称为电光效 应;若折射率变化与所加电压的强度成正比，则称为泡克耳斯效应:若折 射率变化与所加电压的强度平方成正比，就是克尔效应。利用晶体的电光 效应制成的q开关称电光q开关。大多采用晶体的泡克耳斯效应制作电光 q开关。 常用的晶体有k d p . k d p 和l i n b 0 3 等。 为了 提高调q的稳定性， 避 免 存 在 的 自 然 双 折 射 ， 对k d p 类 晶 体 采 用y 6 3 纵 向 使 用 ; 对l i n b o , 晶 体 ， 沿光轴 z )通光，在x ( 或y ) 方向加电场横向使用。 设对k d p类晶 体沿光轴( z ) 通光，同时沿z轴方向 加电场，入射光束 偏振方向平行于x( 或y )轴。加电场前，折射率椭球方程为 ( 1 . 1 0 ) 一一 扩一嘴 + x 2 y 2 不 十 竺 万 n n , 在晶体上施加电场e , ，引起的晶体折射率变化为 x 2 + 少 2 n 2 z 2 _ 一 一牙 + - y 6 3 1 %x =1 刀 忍 ( 1 . 1 1 ) y 6 3 为晶体的电 光系数。如果晶 体长度为l ，则晶体中。 光和e 光的光程差 么为 相 应 的 相 位 差 is = 二 (n , 一 。 尸 弘 2z n .y 63u z = n ,l y , , e , l = n a 7 6 3 u a ( 1 . 1 2 ) u , 为所 施 加 电 压 。如 果选 择 u , = u ,a 一 湍则 一 号 体后变成圆偏振光. 。沿晶体的 x( 或 y )轴偏振的线偏光，通过晶 在图 1 . 1 1 中是把上述电光晶体置于激光器腔中，位于偏振器和全反腔 南开大学硕士论文:第一章绪论 镜之间。 在激光棒用闪 光灯泵浦期间， 在电 光晶 体上施加u 二 电 压， 使线偏 2 振光通过晶体后变成圆偏振光;经全反射，又回到晶体，再从晶体射出的 光又呈线偏振光，但偏振面旋转了 4 0 0 ，从而不能通过偏振器。此时激光 输出镜 格兰一 傅科 棱镜y 全反镜 图1 . 1 1 电 光q开关 激光器 器谐振腔的q值很底， 进行上能级的粒子数积累;当闪 光灯接近泵浦完成 时，迅速去掉晶体上的电压，即q开关启动，谐振腔的q值增大，激光振 荡迅速建立，形成巨脉冲输出。 1 .2 .3 . 机械转镜调q 用高速马达带动旋转的全反棱镜替代原来的固定全反腔镜。借助棱镜 的高速旋转， 使谐振腔c 2 值产生周期变化，就构成了 机械转镜q开关，如 图 1 . 1 2 所示。当旋转棱镜的反射光线与腔轴重合时，谐振腔的q值最高。 但稍偏离一个很小的角度，光线便不再与入射光线平行，谐振腔的损耗明 显加大，致使激光振荡停止。 输出镜 b 1 图1 . 1 2 转镜调q开关激光器 要想用转镜调q激光器获得稳定的输出，就要准确地控制延迟时间。 泵浦氨灯点燃后，工作物质的反转粒子数密度才能积累到最大。如果这时 转镜转到准确位置， 谐振腔的q值就会突然增大，从而产生调q巨 脉冲输 南开大学硕士论文:第一章 绪论 出。转镜调 q的开关时间与脉冲形成时间大致相等，属于慢开关类型。如 果第一个光脉冲不能消耗掉所有的反转粒子数，那么第一个脉冲形成后， 开关过程没结束，阐值将随着腔内损耗继续下降，当闽值下降到低于增益 时，腔内振荡又会产生，又形成一个脉冲。为了防止多脉冲输出，转镜的 转速必须很高。不同类型的激光器，有不同的脉冲形成时间。转镜有不同 的最佳转速。转镜调 q开关不引入腔内附加损耗，也不存在光损伤问题， 所以它适用于氨灯泵浦的调 q 。获得的峰值功率在数十m w 以上，脉冲宽 度小于几个 n s ，主要缺点是转速高时磨损严重，影响使用寿命。 舒.2 .4 . 可饱和吸收体调q 可饱和吸收体调 q是一种被动式快 q开关，它是根据某些物质对入 射光具有强烈的非线性吸收而制成。可饱和吸收体有可饱和吸收染料和晶 体两种。常用的是有机染料，因此又称染料调q 。 图1 . 1 3 是染料的二能级 结构和三能级结构示意图。图中， e : 为基态， e : 为激发态，e , 为亚稳态。当光子能量为 b y 的光束入射到有机染料时， 引 起染料分子的受激跃迁，染料呈吸收状态，吸收系数 r 。 与入射光的强度 有关， 产 一 南 ( 1 . 1 3 ) 式 中、 为 光 强 接 近 。 时 的 吸 收 系 数 ， i : 为 饱 和 光 强 。 当 ， 一 了 : 时 ， 一 r, /2 o 可饱和吸收染料的吸收率和透过率光强的关系曲线如图 1 . 所示。理论计算 和实 验都表明，当i = i ， 时， 染料的 透过率接近1 0 0 % . 一竿缨e2 。 / .七 一里 一 一 一一 e . 图 1 . 1 3 染料的二能级和三能级结构示意 图 南开大学硕士论文:第一章 绪论 把染料溶液或薄膜置于谐振腔中，开始泵浦时，工作物质发出较弱的 荧光，染料吸收很强，透过率很低，谐振腔处于低 q状态，腔内不能形成 振荡。随着泵浦增强，腔内工作物质荧光变强，染料透过率增大。当染料 吸收达到饱和值时，染料突然被 “ 漂白” 而成为透明。这时腔内q值猛增， 产生极强的振荡，形成巨脉冲输出。 1 . 2 . s .光纤光栅迈克尔进干涉仪q开关 近年来，随着光纤激光器、光通信、光传感技术的发展，光纤光栅得 到广泛的应用。在光纤调q激光器中也出 现了光纤型的调q开关，光纤光 栅迈克尔逊千涉仪12 1就是其中的一种，如图1 . 1 4 所示虚框中的部分。 g r a t i n gp u mp 图1 . 1 4 光纤光栅迈克尔逊干涉仪开关调q激光器 在光纤光栅迈克尔逊干涉仪中，两个光纤光栅相当于普通迈克尔逊干 涉仪中的两个反射镜，它们的原理是相同的，都是利用双光束干涉。当光 纤光栅迈克尔逊干涉仪的双臂差为 l时，输入光经过干涉仪后发生干涉， 极大值满足下面的关系 k . 2 =2 n l ( 1 . 1 4 ) 式中k为自然数，a 为输入波长，n为折射率。 利用光纤光栅迈克尔逊干涉仪作为调q开关，是通过压电陶瓷，利用 电压信号，周期性地改变干涉仪的双臂差 l ，对一特定的波长起到开关的 作用。 my d l i n k i , c h a b d o n n e t 等人利用声一光调制器得到峰值功率为 2 9 0 w , 南开大学硕士论文:第一章绪论 脉宽为 2 0 n s ，重复频率为 5 0 0 h z的关系调 q光脉冲3 1 。另外，g . p . l e e s d 等人最近报道了一种掺饵光纤调q脉冲激光器， 实验装置采用了声一光( 或 电一光)调制器，成功实现了脉宽为 4 n s ，重复频率为 2 0 0 h z ,峰值功率 为5 4 0 w的调q自 锁模光脉冲输出，这是所见到的报道中最高的调q光纤 激光器光脉冲峰值功率4 1 。如此高的功率足以在另一根未掺杂的双折射光 纤中产生 s t o k e 。 受激喇曼散射。这就为光纤激光器在非线性光学中应用奠 定了基础。在国内，华南师大杜卫冲等采用了光纤光栅迈克尔逊干涉仪结 构的调q激光器， 实验得到了稳定的激光脉冲输出， 输出波长为1 5 4 5 .7 0 n m , 峰值功率为5 0 0 m w , 脉宽1 .3 ,u s , 重复频率 1 7 k h z 2 1 。由 于调q激光器本身 也存在着一定的缺陷 ( 例如，需要外界信号的驱动) ，脉冲的稳定性差， 所以解决调 q激光器脉冲的稳定性也是当前科研的一重要课题。下面是我 的论文中的重点:利用光纤马赫一 曾特尔干涉仪作为调 q器件，对全光纤 调q激光器进行了详细的讨论研究。 1 . 3 课题简介 本论文着重对掺饵调 q光纤激光器、 激光器的调谐和激光器线宽测量进行 了 实验研究，并从理论上对一般调 q光纤激光器进行了 理论研究。 从理论和实 验两方面对光纤马赫一 曾特尔干涉仪进行了较全面的 研究。在实验上，利用光纤 马 赫 一 曾 特尔 干 涉仪 作为 调 q开 关， 光 纤 光栅 ( f i b re g r a t in g ) 作为 一 个 腔 镜， 实 现了 调q全光纤化， 干涉仪在外加信号的驱动下， 得到稳定的调q激光脉冲输 出: 实验中 还发现，当p z t 没有加信号调谐时，也能得到相对稳定的自 调q脉 冲， 在不同 泵浦功率条件下自 调 q现象有所不同，并给予了 理论分析讨论。利 用悬臂梁作为激光器的调谐结构，实现了激光器输出的宽带、线性调谐，达到 了 很好的效果。 本论文是国家科学基金和国家攀登计划预研项目 的一部分内 容， 并得到国 家教育部光电信息技术科学开放实验室的资助。 这种光纤激光器在光 通信、激光测距、激光医学等领域中有着广泛的应用前景。其主要性能指标达 到了国际九十年代中期的先进水平。另外，我们利用自己研制的球面型 f - p腔 扫描干涉仪对环行腔光纤激光器的模式进行了研究，观测到了环行腔光纤激光 器的精细结构一纵模，在论文中对球面型 f - p腔扫描干涉仪的原理和干涉仪的 一重要参数一自由光谱区作了介绍，从理论上对球面型 f - p腔扫描干涉仪测线 宽进行了分析，给出利用扫描干涉仪测光源线宽的原理公式。在实验中，观测 南开大学硕士论文:第一章 绪论 到待测环形光纤激光器有 8个纵模。所以扫描干涉仪不仅可以用来测量光源的 线宽，也可以用来研究激光的模式结构。 全光纤调q激光器达到的性能指标如下: .激光器的输出脉冲宽度小于 l u s . .激光器的输出重复频率在 1 0 0 - 9 9 9 h z 之间连续可调. .平均功率为 1 . 2 m w. .脉冲峰值功率大于 1w. .激光器的可调谐范围为5 . 7 n mo .光纤激光器的输出线宽约为 1 g h z 南开大学硕士论文: 第二章光纤激光 器调q的理论分析 第二章光纤橄光器调q和锁模的理论分析 调 q技术在激光器的发展和应用中具有重要的地位和作用，它的特点 是把激光器发出的能量压缩到宽度很窄的脉冲中输出，使输出激光的功率 提高几个数量级。因为调 q技术能产生如此强的相干光，所以极大地推动 了 非线形光学领域的 研究和应用， 例如二次谐波的 产生， 光的参量放大和 振荡等，同时在激光光谱，激光测距，激光雷达和激光加工等领域都得到 了广泛的应用。目 前调 q技术的发展主要着重于压缩脉冲宽度和提高峰值 功率。 2 . 1 调q的荃本原理 一般用品质因数q值来表征激光器的谐振腔质量的优劣，品质因数的 定义表达式为 _w. 夕 =br u = - 一一 峨 ( 2 . 1 ) 式中w ， 和 w, 分别为谐振腔内 存储的激光能量和每秒钟损耗的激光能量， 。 。 是激光的中心波长。如果用6 表示光在腔内 走一个单程时的损耗率，则 单程的能量损耗为s wt 。如果用 l , n和 。分别表示腔长、介质折射率和 光速，则光在谐振腔内走一个单程所需要的时间为 n l / c ，因此光在腔内每 秒钟损耗的能量为8 c w,/ n l ，由此可得到q值的表达式为 q= 2 ) t o a n l c 占 ( 2 . 2 ) 由式 ( 2 .2 )可知q值与损耗成反比的，即损耗越小，q值越高，而损耗越 大，q值越低。 由于在激光器中存在着弛豫振荡而产生了尖峰脉冲序列，从而限制了 脉冲峰值功率的提高。所谓调 q ，就是设法通过调节谐振腔的损耗而使谐 振腔首先具有较大的损耗，即较低的q值，提高振荡阐值，使上能级的反 转粒子数大量积累，然后突然降低损耗，提高 q值，这时激光振荡迅速建 南开大学硕士论文:第二章光纤激光册调q的理论分析 立，腔内以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数被大量 消耗，转变为腔内的光能量而通过祸合镜输出一个极强的巨脉冲。这一过 程同时也抑制了弛豫振荡的发生。 谐振腔的损耗一般包括反射损耗，吸收损耗，衍射损耗，散射损耗和 输出损耗等。用不同的方法来控制不同类型的损耗就构成了不同的调 q技 术，目前采用的调 q技术有控制反射损耗的电光调 q ，控制衍射损耗的声 光调q -控制吸收的饱和染料调q技术和控制腔内干涉损耗的调q技术。 我们利用光纤马赫一泽德干涉仪结构， 通过压电陶瓷，周期性地改变激光腔 内的干涉损耗，实现调q 。这在第三章中有详细的讨论。 2 . 2 光纤橄光器调q的 一般理论分析5 j 在下面研究的调 q光纤激光器具有以下结构:激光腔是光纤腔，并 有一个合适的 q开关光纤腔的长度为 1 。设用三维坐标 ( x , y ,z )表示腔的 位置， 其中z 轴与光纤轴重合。 纤芯可为增益介质。 通过在纤芯端面 ( z = 0 ) 祸合对介质泵浦实现粒子数反转。 对于一个给定的横模1 ， 令s ;( x , y , z ,t ) 代表( x , y , z ) 处和t 时刻的光子密度， 而s o .i( x ,y , z ) 为归一化的 模能量密度分布， 起对于整个腔体积积分为 1 。 在 腔内由这个模所携带的光子数s;-si(t)为 1 一 f i vity i (x , y , z , t)d x d y d z= s 1 (t) f l s o,t ( x , k 2 ) d x d y d z ( 2 . 3 ) 泵浦光在光纤内的空间分布r ( x , y , z ) 可由 下式给出 r ( x , y , z ) = r r p ( x , y , z ) = a _ e x t ) ( - a _ z ) n ， 电 八尸魂 、尸 r v r p , yi -甲一万一甲气万 1 一e x p k 一 “pt) ( 2 . 4 ) 其中r r p ( x , y , z ) 为归 一 化的 泵 浦分 布( 对 整 个 光纤 体 积归 一化) 。 可分 解为 两个分量: ( 1 ) 横向 分布r , ( x , 力， 对光纤截面归一， 通常为光纤横模的线 性组合。( 2 )对 z方向的归一，因为需要考虑泵浦功率从 z = 0到 z = 1 成指 数衰 减。 r是 泵浦速率， 为r = p ab , r h u 0 ， 其中h u ， 为泵浦光子能量， p a b s 是 光 纤的 工 作区 所吸收的 泵 浦总 功 率，由 吸收 系 数a ， 决定 。 南开大学硕士论文:第二章光纤激光器调q的理论分析 粒子反转数的空间分布an( x , y , z , t ) 可望与在光纤工作区的泵浦分布相 似，而在其它区域为零，因此 y , z , t ) 二 a n ( t ) r o ( x , y ) cx p e x p (- a p z ) r4 ( x , y ) i 一 e x p (一 “ p l ) )1 p ( 2 . 5 ) 式 中r p 是 在 光 纤 工 作 区 的 泵 浦能 量占 光 纤内 总 泵 浦能 量的 比 例系 数， a ( x ,y ) 在光纤工作区为 1 ，在其它区域为0 a即 刁 由式( 3 . 3 反转数。 二 瓜. , r, (x , y ) a (x , y ) dx d y ( 2 . 6 ) . 3 所定义的 n ( x ,y , z , t )中 n ( t ) 代表时刻 t 时光纤中总粒子 利用下述假设可以建立与粒子数反转和光子密度有关的速率方程。首 先，高q腔与低q腔的开关时间与脉冲的建立时间相比要短得多。其次， 在脉冲反射时可以忽略光学泵浦和反转粒子数通过自 发发射弛豫带来的影 响。在这样的条件下速率方程为 . 7 f a 1 1 1 1. .， , % i _, n - l - i i a, y, 4 , 1 ) 1 。 下 ，八 2、 ， 了 - 一 - 一 1 ， 一 一一 =一 乙 13 i l x , y , z f ) lwv l x , y , z , i ) 胡八 ii 司 d s , d t= 等 j jk . 。一a n (s , y , z, t)s ( x , y ， 二 ， t ) d x d y d z 一 兰 r c ( 2 . 7 ) ( 2 . 8 ) 其中z r 2 1 n ,/ c s : 是腔内 光子的寿命， c 为 真空中的 光速， n 、 是 增益介质的 折射率，。 是有效激发截面，5 ， 是高q 腔对第i 个模的 往返损耗。 ( 2 .7 ) 式是对光纤中所有被传导的模求和。 用方程 ( 2 . 3 )一 ( 2 . 5 ) 中的归一值代替a n和 s 。 并且对腔中的工作区进 行积分可得 d . 1 v 一n 二 一 v u an( t) y s , 探 lj = 1 孤vem ed um s o, ( x , y , z )r o (x , y , z ) d x d y d z ( 2 . 9 )式中出现的积分考虑了激光介质泵浦的分布和第 重叠。定义 ( 2 , 9 ) i 个信号模之间的 f j 一 瓜。、二 s ., (x , y , z )r , (x , y , z )d x d y d z ( 2 . 1 0 ) 南开大学硕士论文第二章光纤激光器调q的理论分析 这 个 参 数 与 连 续 光 纤 激 光 器 中 的 无 量 纲 重 叠 系 数f ., ,u ， 有 关 ， f , , - , a ， 表 示 信号 模 ( 模号为。 : 和11 , )与 泵浦模 ( 模号为u 。 和。 。 ) 之间的重叠 程度: f=f ,u ,u , u , 例 f ( 2 . 1 1 ) 其中a f = ata ， 是纤芯的 截面面积 利用以 上记号，( 2 , 8 ) 和( 2 . 9 ) 式可以改 写为: 一 等 胡na n (t)z f sjj=1 ( 2 . 1 2) c a a n ( t ) f , s , 刀 1 ( 2 . 1 3 ) 又一乓 ds，一dt ( 2 . 1 3 ) 式除以( 2 . d s ; 1 2 ) 式消去对时间的导数得 d t a n f , s , 一 ( 1 - 一飞 嘴 卜。， t e a a n( 0 z _ f t ) 乙 r i 气 ( 2 . 飞 4 ) i = 1 为了用更有意义的形式来表达这个结果，对第 i 个模定义在阐值时的粒子 数反 转 n t.i ， 相当 于 连续 输出 情况下， 腔损 耗等于高q腔损耗为6 * 时 达 到闭值所需要的粒子反转数 a n.， = s , 1 t a t f ; 改写( 3 .3 . 1 0 ) 式为 ( 2 . 1 5 ) 利用上式和: 。 的定义 .w s , d a n 二f , s , f a n ,. 一 1) 右 ， n) 乙 p i a i、 j = i ( 2 . 1 6 ) 方程的边值是第1 个模中的初始光子数s 和调q脉冲开始时的粒子反转数。 假定s i.i。 与s ; 相比可以 忽略，则 ( 2 . 1 6 ) 式的解为: n f . s , s s ; +) 1 - d s二 i = , f o s i fix , r . _ ， .a n. _ ， _ _ 、 、 卜 s n卫 n -( a 八 r 一 八、) 戈 ” a n in ) 2 . 1 7 ) 南 开大 学 硕 士 论 文第 二 章 光 纤 激 光 器 调q的 理论 分析 方程( 2 . 1 7 ) 包含了i = 1 , 2 ; 一 ， n时系统的藕合方程组，方程组的解给出了任 意时刻任一横模中s 的光子数与粒子反转 n之间的关系。 作为分析调 q光纤激光器的第一步，首先讨论单横模的情况，即当 j s l 时s , = 0 。方程组( 2 . 1 7 ) 可退化为一个方程 (，a n. _ _ _ _、 j , = i vv,， i n 一( w 一 n_ ) i l . a n ,. ，l ) ( 2 . 1 8 ) 最终导出的结果与平面波调 q所得结果相同。不过在当前情况下，出现相 互作用波的横向结构效应对阐值表达进行了修正，即包含了空间重叠积 分。在多模振荡情况下，其它重叠积分也会出现在相互作用因子中，从而 导致模竞争。 由于这种相似性，对于脉冲特性的表达式 ( 峰值功率，宽度和能量) 也 采用和 平面 波解析式 相同的 表达式， 但是 要考虑到两 者的 差别， 即 n , 中包括重叠因子 1 / f , 。 在调 q脉冲结束时剩余的反转粒子数是一个非常重 要的量。在 ( 2 . 1 8 )式中令s ,= o 得: o n , ( a n ， 一 a n :_ 、 j_丹吸 ， 一，曰1 下 万 : 一 一 人日 1 a n ，一 戈 a n , ) ( 2 . 1 9 ) 瞬时输出功率与光子数s 。 有关 : 一 : h 21, )t4 ctn, 其中t : 是输出祸合的 透射率。 在( 2 .2 0 ) 式中令d p , / d a n = 0 它发生在a n ( t ) = a n ,: 时。 将这个条件代入 ( 2 .2 0 ) 式中 可得到峰值功率: ( 2 . 2 0 ) 可得到峰值功率， 用( 2 . 1 8 ) 代替 s , 、 二 ”喊 刹n n ,., in ) 一 (nn , - on ,. ( 2 . 2 1 ) 由上式得 pp-k一 叫城 ，1( anjnan.,一in aman,一。 ( 2 . 2 2 ) 南开大学硕士论文: 第二章光纤激光器调q的理论分析 由上式可以看出， 越大，峰值功率越大，的值取决于以 下因素:( 1 ) q开关关闭时腔的损耗越大，则允许达到而不超过ic j 值的 a n * 值越大，q 开关打开后腔的损耗越小。( 2 )泵浦功率越大，则 o n ; / / an , 大。 越大。( 3 )相同泵浦功率下，激光上能级寿命越长， 则 竺 ，尹众 。 越 对瞬时功率 p , 从脉冲起始时间t ， 到结束时刻t f 进行积分可得输出脉 冲总能量 ; 一 (,i 、一 c i 君 d a n / d t d o n ( 2 . 2 2 ) 其中 d a n / d t由( 2 . 1 2