（光学工程专业论文）先进光纤激光器技术及其在光传感、光学微波产生的应用.pdf

摘要摘要光纤激光器技术是光学( 光子学) 领域最为重要的技术之一，在光纤传感、光纤通信、工业加工等领域都有着重要的应用。本文主要研究了包括多波长光纤激光器技术、傅立叶域锁模( f d m l ：f o u r i e rd o m a i nm o d el o c k i n g ) 光纤激光器技术、双波长单频( 单纵模)光纤激光器技术在内的先进光纤激光器技术以及它们在光传感和光学微波产生方面的应用。本文首先简单介绍了光纤激光器的发展历史和几种重要光纤激光器技术的研究进展，总结了光纤激光器发展的趋势。接着研究了基于混合增益和四波混频效应的多波长掺铒光纤激光器技术。实现了结合半导体光放大器、波长间隔可调谐的多波长掺铒光纤激光器，提出了基于拉曼和掺铒光纤混合增益、波长间隔可调谐的光纤激光器。研究了基于色散位移光纤和光子晶体光纤四波混频效应的多波长光纤激光器技术，首次利用光子晶体光纤同时作为四波混频介质和滤波器件实现了多波长掺铒光纤激光器的稳定多波长激光输出。介绍了对发展先进光纤激光器技术有着重要作用的光子晶体光纤，提出了几种高双折射光子晶体光纤的设计方案，并给出了光子晶体光纤在多波长拉曼光纤激光器、波长切换光纤激光器以及主动锁模光纤激光器方面的应用例子。然后发展了f d m l 光纤激光器技术并研究其在光传感方面的应用。介绍了f d m l 光纤激光器的基本概念和工作原理，搭建了连续波f d m l 光纤激光器并首次将其应用于光纤布拉格光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 解调。首次提出了频谱受限f d m l 光纤激光器，是对f d m l 光纤激光器技术的重要发展，并探讨了该技术在f b g 多点传感方面的应用。首次利用频谱受限f d m l 光纤激光器技术结合拉曼放大实现了远距离应力传感。最后研究了双波长单频光纤激光器技术及光学微波产生的应用。利用我们的光纤光栅制作系统刻写了光纤布拉格光栅对( f b g p ：f i b e rb r a g gg r a t i n gp a i r ) ，实现了窄带的滤波功能，利用f b g p 分别实现了单波长、双波长单频光纤激光器，并基于双波长单频激光器实现了光学微波产生，给出了基于f b g p 和单频激光器的高灵敏度温度应力传感系统。在双折射高浓度掺铒光纤上刻写了两个偏振敏感的f b g ，测量了f b g 偏振相关的透射谱，i i i浙江大学博士毕业论文实现了双波长单频激光输出，并利用该双波长单频激光产生了频率达4 6 g h z 的微波信号。举例介绍了其它实现光学微波产生的方法，给出了基于主动锁模光纤激光器结构的微波光子滤波器。本文以实验研究为主、理论研究为辅，侧重实现特定光纤激光器功能及其技术方案，对于进一步发展先进光纤激光器技术和推进先进光纤激光器技术的应用具有重要意义。关键词：光纤激光器、多波长、单频、傅立叶域锁模、光纤布拉格光栅、光传感、光学微波产生i va b s t r a c ta b s t r a c tf i b e rl a s e rt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si no p t i c s ( p h o t o n i c s ) ，d u et oi t si m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si no p t i c a lf i b e rs e n s i n g ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s ，m a n u f a c t u r ei n d u s t r ya n ds oo n t h i st h e s i sf o c u s e so nr e s e a r c ho fa d v a n c e df i b e rl a s e rt e c h n o l o g i e s ，w h i c hi n c l u d em u l t i - w a v e l e n g t hf i b e rl a s e rt e c h n o l o g y , f o u r i e rd o m a i nm o d el o c k i n g ( f d m l ) f i b e rl a s e rt e c h n o l o g ya n dd u a l - w a v e l e n g t hs i n g l ef r e q u e n c y ( s i n g l el o n g i t u d i n a l - m o d e ) f i b e rl a s e rt e c h n o l o g y , a n dt h e i ra p p l i c a t i o n si no p t i c a ls e n s i n ga n dp h o t o n i cg e n e r a t i o no fm i c r o w a v es i g n a l s t ob e g i nw i t h ，t h eh i s t o r yo ff i b e rl a s e r sa n dt h er e s e a r c hp r o g r e s so fs e v e r a li m p o r t a n tf i b e rl a s e rt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d , a n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ff i b e rl a s e rr e s e a r c hi ss u m m a r i z e d t h e n ，m u l t i w a v e l e n g t he r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rt e c h n o l o g yb a s e do nh y b r i dg a i no rf o u r - w a v e - m i x i n g ( f w m ) e f f e c ti si n v e s t i g a t e d w a v e l e n g t h - s p a c i n gt u n a b l em u l t i w a v e l e n g t he r b i u m d o p e df i b e rl a s e ri n c o r p o r a t i n gas e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e ri sa c h i e v e d ，a n dw a v e l e n g t h s p a c i n gt u n a b l em u l t i - w a v e l e n g t hr a m a na n de r b i u m - d o p e df i b e rl a s e ri sp r o p o s e d m u l t i - w a v e l e n g t he r b i u m d o p e df i b e rt e c h n o l o g yb a s e do nd i s p e r s i o n s h i f t e df i b e r ( d s f ) o rp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) f w me f f e c ti si n v e s t i g a t e d i ti st h ef i r s tt i m e ，a sf a ra sw ek n o w ,s t a b l em u l t i - w a v e l e n g t hl a s i n gi sa c h i e v e df o rt h em u l t i w a v e l e n g t he r b i u m d o p e df i b e rb ye m p l o y i n gap c fw h i c hi su s e da sb o t ht h ef w mm e d i aa n dt h ef i l t e rc o m p o n e n t p c f , w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h ea d v a n c e df i b e r l a s e rt e c h n o l o g i e s ，i si n t r o d u c e da n ds e v e r a ld e s i g n so ft h eh i g h l yb i r e f e r i n g e n tp c fa r ep r o p o s e d e x a m p l e sf o rp c f sa p p l i c a t i o n si nam u l t i w a v e l e n g t hr a m a nf i b e rl a s e r , aw a v e l e n g t hs w i t c h a b l ef i b e rl a s e ra n da na c t i v em o d e - l o c k i n gf i b e rl a s e ra r ed e m o n s t r a t e d f u r t h e r m o r e ，f d m lf i b e rl a s e r sa p p l i c a t i o ni no p t i c a ls e n s i n gi sd e v e l o p e d t h ec o n c e p ta n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ef d m lf i b e rl a s e ra r ef i r s t l yi n t r o d u c e d t h e nw eb u i l du pac o n t i n u o u s w a v ef d m lf i b e rl a s e ra n dd e m o n s t r a t ei t sa p p l i c a t i o nf o rf i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g )i n t e r r o g a t i o n f o rt h ef i r s tt i m e ，as p e c t r u m - l i m i t e df d m lf i b e rl a s e r , w h i c hi sab i gs t e pf o rt h ep r o g r e s so ff d m lf i b e rl a s e rt e c h n o l o g y , i sp r o p o s e d ，a n di su t i l i z e di nf b gm u l t i - p o i n ts e n s i n gs y s t e m l o n gd i s t a n c es t r a i ns e n s i n gb a s e do nt h es p e c t r u m - l i m i t e df d m lf i b e rl a s e ri n c o r p o r a t i n gar a m a na m p l i f i e ri sd e m o n s t r a t e df o rt h ef i r s tt i m e v浙江大学博士学位论文一f i n a l l y , d u a l - w a v e l e n g t hs i n g l ef r e q u e n c yf i b e rl a s e rt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o nmo p t i c a lm i c r o w a v eg e n e r a t i o na r ei n v e s t i g a t e d af i b e rb r a g gg r a t i n gp a i r ( f b g p ) w i t ht h ef h n c t i o no fn a r r o w - b a i l df i l t e r i n gi sa c h i e v e db yu s i n go h rf b gf a b r i c a t i o ns y s t e ma n di su s e dt oa c l l i e v es i n g l e w a v e l e n g t ha n dd u a l - w a v e l e n g t hs i n g l ef r e q u e n c yf i b e rl a s e r s t h ef b g pb a s e dd u a l - w a v e l e n g t hs i n g l ef r e q u e n c yf i b e rl a s e ri su s e df o ro p t i c a lm i c r o w a v eg e n e r a t i o n al l i g l l l ys e n s i t i v et e m p e r a t u r e s t r a i ns e n s i n gs y s t e mb a s e do nt h ef b g pa n das i n g l ef r e q u e n c yl a s e ri sa l s od e m o n s t r a t e d t w op o l a r i z a t i o n s e n s i t i v ef b g sa r ew r i t t e ni nab i r e f r i n g e n tf i b e r、加ml l i g he r b i u mc o n c e n t r a t i o nt oa c h i e v ead u a l w a v e l e n g t hs i n g l ef r e q u e n c yf i b e rl a s e ra n dt h e i rp o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tt r a n s m i s s i o ns p e c t aa l em e a s u r e d m i c r o w a v es i g n a lw i t ha靠e q u e n c yu pt o4 6g h zi sa c h i e v e db a s eo nt h ed u a l w a v e l e n g t hs i n g l ef r e q u e n c yf i b e rl a s e r f i n a l l y ，o n eo t h e rm e t h o df o rp h o t o n i cg e n e r a t i o no fm i c r o w a v es i g n a l sa n dan o v e lm i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e rb a s e do na na c t i v em o d e - l o c k e df i b e rl a s e rs t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e d t h i se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h b a s e dt h e s i s ，s u p p l e m e n t e db yt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，a l m st oa c h i e v et e c h n i c a lp r o g r a m sf o rs p e c i f i cf i b e rl a s e r sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n s t h et h e s i sw i l lb eo fg r e a ts i g 叫f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ea d v a n c e df i b e rl a s e rt e c h n o l o g ya n dt h ep r o m o t i o no fa p p l i c a t i o n so ft h ea d v a n c e df i b e rl a s e rt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：f i b e rl a s e r , m u l t i w a v e l e n g t h ，s i n g l ef r e q u e n c y ，f o u r i e rd o m a i nm o d el o c k i n g ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ，o p t i c a ls e n s i n g ，o p t i c a lm i c r o w a v eg e n e r a t i o n v i浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：7 秘切签字隔切矽年n 惦学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：? 始孙导师签名：签字日期：钞吵年，月力彭日签字醐：力哆年歹月落日致谢致谢在本论文顺利完成之际，谨向多年来一直给予我极大关怀与帮助的导师何赛灵教授致以最真诚的感谢。导师渊博的知识、敏锐的科学洞察力、严谨的科研作风、忘我的工作精神以及对科学孜孜不倦的追求给我留下了深刻印象，是我今后从事科研工作的榜样；导师提供的一流科研平台、与国际同行丰富的交流机会，使我在学术研究方面有了更高的起点和更为广阔的视野，为我今后继续从事学术研究打下了扎实的基础；导师的精心选题、严格把关、认真指导以及对实验研究的全力支持是我完成本论文的重要基础。非常感谢香港中文大学的c h e s t e rs h u 教授支持我到香港中文大学交流学习并指导我开展本论文第三章的部分工作。衷心感谢浙江大学沈林放副教授和台湾交通大学t z o n g - j e ry a n g 教授促成了我去台湾交通大学交流学习，并指导我开展本论文第二章有关光子晶体光纤方面的研究工作。也非常感谢强则宣博士和张徐亮博士对我的指导，两位师兄在掺铒光纤放大器和拉曼放大器方面所做的工作为开展本论文的研究工作创造了条件。在攻读博士学位期间，我还得到了许多同学的关心与帮助。感谢秦山、郁张维，配合我开展了本文第二章中部分研究工作；感谢付宏燕、欧海燕，帮助我开拓激光器技术在微波光子学方面的应用( 第二、四章中部分研究工作) ；感谢刘伟升、姜萌、傅娇娇，他们对本论文第三、四章中的部分研究工作做出了重要贡献；感谢管祖光、陈海滨，我们同窗时的交流启发了本论文的一些创新想法。最后衷心感谢我的家人，他们的理解与支持、关心与鼓励是我在学术研究道路上不断前进的最大动力。陈达如二00 九年三月l 绪论1 绪论本章提要：首先简单介绍了光纤激光器的基本特性及其发展历史，阐述了几种重要光纤激光器技术的研究进展，说明了光纤激光器的发展趋势。然后叙述了本论文的内容和各章安排。最后给出了本论文的主要创新点。1 1 引言光纤激光器通常由掺杂光纤作为全部或部分增益介质，由光纤布拉格光栅、光纤端面或光纤环形镜作为反射镜构成线性结构谐振腔( 如图1 1 ( a ) 所示) 或由光纤滤波器件和光纤耦合器等构成环形结构谐振腔( 如图1 1 ( b ) 所示) 。光纤激光器在光纤传感、光纤通信、激光空间远距离通信、光信息处理、超快光学、非线性光学、激光制导、军事国防安全、工业加工、医疗器械仪器设备、大型基础设施建设等领域都有着重要的应用，从其诞生之日起一直受到人们的广泛关注。泵浦源反射镜掺杂光纤反射镜激光输出( a )耦合器激光输出( b )图1 1 两种典型光纤激光器的结构示意图浙江大学博士学位论文从1 9 6 0 年诞生世界第一台红宝石激光器【1 1 以来，已经有基于不同工作介质的多种激光器被发展起来，其中包括染料激光器【2 ，3 1 、气体激光器【4 ，5 1 、半导体激光器1 6 1 、固体激光器【7 ，8 】和光纤激光器。光纤激光器的主要特点包括：( 1 ) 光纤兼容。由于光纤激光器以光纤作为波导介质，与现在已经被广泛应用的光纤通信以及光纤传感系统兼容；( 2 ) 低阈值。由于光纤波导的低损耗特性( 特别是在光纤通信波段) 、掺杂光纤的高增益特性以及完善的泵浦耦合技术和反馈技术( 如f b g ) ，因而具有较低的激光阈值；( 3 ) 高效率和高光束质量。光纤波导结构保证了泵浦光和信号光的良好约束以及输出激光的良好模式特性，使得光纤激光器具有高效率和高光束质量的优点。( 4 ) 结构紧凑。相比于气体激光器和固体激光器，光纤激光器具有体积小、结构紧凑的特点。在大功率激光器领域，相对于传统的气体激光器，光纤激光器具有很好的散热特性，因而不需要庞大的冷却系统；( 5 )宽波长范围。由于光纤激光器的增益介质可以掺杂不同的物质以及可以利用光纤非线性效应，如拉曼( r a m a n ) 效应、布里渊( b r i l l o u i n ) 效应【9 i ，可以在较宽的光谱范围内获得激光输出。( 6 ) 激光频谱可控性强。由于光纤激光器是一个由增益光纤、滤波器件以及其它控制器件( 比如强度或是相位调制器) 组成的系统，其输出的激光频谱可控性强。( 7 )工作环境适应性强。胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。光纤激光器的上述特性已经使得光纤激光器成为获得大功率激光、超短光脉冲的重要选择，并产生了相应的成熟商用产品。近年来，一方面组成光纤激光器的一些关键器件( 如滤波器件f b g 或是带尾纤的f p 滤波器) 得到了发展以及新型的光纤介质( 如光子晶体光纤1 1 0 - 1 4 1 、新型掺杂光纤【1 5 】、新型材料光纤【1 6 ，1 7 】) 的出现推动了光纤激光器性能的进一步提高，特别是提高了输出激光频谱的可控性，比如多波长或是波长切换光纤激光器1 1 8 l 被发展起来；另一方面，光纤激光器作为一种应用技术，比如傅立叶域锁模( f d m l ：f o u r i e rd o m m nm o d el o c k i n g ) 光纤激光器技术【1 9 1 和单频光纤激光器技术【2 0 - 2 4 1 在光纤传感或是在新兴的如微波光子学【2 5 】等学科的应用也被不断推广和深化。人们开始关注光纤激光器作为功能性器件被应用于其它系统的重要性，用光纤激光器技术来实现特定的应用目标成为重要的研究课题。2l 绪论1 2 光纤激光器及其相关技术的发展历史1 2 1光纤激光器的发展历史光纤激光器的历史几乎和激光器的历史一样长。早在1 9 6 1 年，美国光学公司的e s n i t z e r 等人在光纤激光器和放大器领域进行了开创性的研究工作，他们在上个世纪6 0年代报道了多种玻璃光纤光放大及初步的激光输出f 2 睨3 】。然而，由于早期光纤的损耗很大，光纤激光器在之后的十几年时间内并没有很大进展。到上个世纪8 0 年代中期，两项与光纤激光器相关的重要技术低损耗掺铒光纤和半导体激光器获得重大进展，从而推动了光纤激光器的发展。1 9 6 6 年，高锟等人提出了光纤作为通信介质的可能性【2 9 1 ，讨论了光纤降低损耗的可能方法。上个世纪7 0 年代末，低损耗光纤的制作工艺已经成熟；8 0 年代英国南安普顿大学的s b p o o l e 等人成功研制了低损耗掺铒光纤【3 0 l ，使得研发光纤通信波段的光放大器和光纤激光器成为可能。光纤激光器发展的最初阶段就考虑了用半导体激光器泵浦的可能性。上个世纪6 0 年代的半导体激光器还不能在室温条件下工作，直到1 9 7 0 年，贝尔实验室的科研工作者实现了室温连续工作的双异质结半导体激光器。1 9 7 3 年，出现第一台采用二极管激光器泵浦的光纤激光器。在低损耗掺铒光纤和半导体激光器被成熟发展的8 0 年代末，世界上许多科研机构( 如英国南安普顿大学、德国汉堡技术大学、日本的n t r 、h o y s 、三菱，美国的p o l a r i o dc o r p o r a t i o n ，贝尔实验室，斯坦福大学和g t e 等) 活跃于光纤激光器研究领域，并取得了重要的研究进展。英国南安普顿大学于1 9 8 5 年演示了由单模光纤构成的激光器，此后他们报道了调q 、锁模、单纵模输出等不同类型的光纤激光器【3 0 , 3 1 】。英国通信研究实验室( b t i 也) 于1 9 8 7 年展示了用各种定向耦合器制作的光纤激光器装置，同时在增益和激发态吸收等研究领域做了大量的基础工作，在氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作。1 9 8 8 年，e s n i t z e r 等人提出了双包层光纤，奠定了发展大功率光纤激光器的基础【3 2 1 。1 9 8 9 年，美国光谱物理公司( s p e c t r a p h y s i c s ，i n c ) 发展了锁模掺铒光纤激光器，获得了4p s 的光脉冲输出【3 3 】，初步展示了光纤激光器技术在获取超短光脉冲方面的潜力。上个世纪9 0 年代，各种类型的光纤激光器迅速发展。在增益材料方面，光纤激光器涉及的常用基质材料已经包括石英晶体、硅酸盐玻氟化物玻璃、磷酸盐玻璃等，掺杂元素包括铒、镱、铥、钕等。此外还出现了以光纤本身非线性效应获得增益的光纤激光器。光纤激光器这个方面的进展使得其输出波长能够覆盖很宽的范围。在泵浦技术方面，作为泵3浙江大学博士学位论文浦光源的半导体激光器技术和光纤定向耦合器技术日益成熟，高功率的半导体激光器和高效的定向耦合器推动了光纤激光器特别是高功率光纤激光器的发展。9 0 年代发展成熟的f b g 技术使得光纤激光器的结构日益紧凑，输出波长的可控性加强，基于f b g 的单频光纤激光器也被发展起来。1 9 9 0 年，r k a s h y a p 等人首次将光纤布拉格光栅应用于光纤激光器以增强模式选择性【3 4 1 。9 0 年代初，g a b a l l 等人利用掺铒光纤率先实现1 5 5 0n m 波段的分布式布拉格反射( d b r ：d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ) 激光器。他们在掺铒光纤两端紫外写入布拉格光栅构成0 5r r l 长的谐振腔，两端的布拉格光栅反射率分别为7 2 和8 0 ，用9 8 0n n l 掺钛蓝宝石激光器泵浦，获得了1 5 4 8n l n 的激光输出，激光峰值功率为5m w ，用f p 标准具扫描干涉仪证实为单纵模运行【3 5 】；在另一篇文献中【3 6 】，他们在掺铒光纤上写布拉格光栅构成1 0c m 长的谐振腔，并用压电陶瓷对光栅进行拉伸，使得激光波长调谐了9g h z 。1 9 9 3 年，m i z r a h i 等人制作了更短谐振腔( 2 5c m ) 的d b r 激光器，并进行了远距离传输试验f 3 7 】。这一时期，基于锁模技术的超短光脉冲光纤激光器得到很大的发展，出现了多种锁模技术，通过压缩方法可以从锁模光纤激光器获得亚皮秒光脉冲。进入2 1 世纪后，光纤激光器技术获得进一步发展，光纤激光器的性能得到了极大的提高，部分光纤激光器已经成为商用化产品，逐步进入实际应用领域。比如大功率激光器已经达到几万瓦的连续输出功率，单频光纤激光器的线宽在百赫兹量级甚至更低，多波长光纤激光器成为研究热点，出现新型锁模光纤激光器。9 0 年代末的高功率光纤激光器输出的功率水平已经突破一百瓦【3 8 】。此后，v 形槽泵浦技术和树权形耦合泵浦技术的出现，进一步推动了双包层光纤激光器输出功率的提高。2 0 0 4 年，英国南安普顿大学和德国夫琅和费激光技术研究院( f r a u n h o f e ri n s t i t u t ef o rl a s e rt e c h n o l o g y ) 分别报道了光纤激光器6 1 0w 和8 1 0w 的连续激光输出【3 9 4 0 i 。目前，单纤光纤激光器输出功率已经突破千瓦【4 i , 4 2 】，而将输出光纤耦合在一起可以获得超过万瓦的功率。i p g 公司、l u c e n t 公司等推出了千瓦乃至万瓦级的光纤激光器产品，大大推动了光纤激光器在工业加工、激光医疗以及国防军事等领域的应用。我国光纤激光器研究起步较晚，从上个世纪8 0 年代末开始，相继有一些科研单位如上海光机所、清华大学、北京邮电大学、华中科技大学、中国科技大学、天津大学进入光纤激光器研究领域并获得了一定的进展。比如在大功率光纤激光器领域：南开大学、上海光学精密机械研究所开展掺镱双包层光纤激光器的研究工作，特别是在双包层光纤( 布拉格) 光栅方面取得了开创性成果【4 3 ，删；2 0 0 5 年，烽火通信科技股份有限公司与上海光机所合作，成功研制出输出功率高达4 4 0w 的掺镱双包层光纤激光器【4 5 】，其功率而后被进4l 绪论一步提到到7 1 4w f 蛔；中国兵器装备研究院报道了突破1k w 功率的光纤激光器。y a t 口在多波长光纤激光器和锁模脉冲光纤激光器方面，清华大学做了不少出色的研究工作f 4 9 1 。总体而言，由于受基础条件方面的制约，国内光纤激光器研究同国际水平还有相当大的差距。1 2 2几种重要光纤激光器技术的研究进展上一小节中我们回顾了光纤激光器的整体发展历史，也提到了高功率光纤激光器的发展历史，这一小节将介绍与本文相关的几种重要光纤激光器技术的研究进展。这几种重要光纤激光器技术包括多波长光纤激光器技术、锁模光纤激光器技术和单频( 单纵模) 光纤激光器技术。多波长光纤激光器在波分复用光纤通信系统、波分复用光无源网络、光纤传感、光信号处理、光谱分析、以及新兴起的微波光子学等领域具有重要的潜在应用价值，引起了研究者极大的兴趣【5 0 5 8 1 。最早出现多波长掺铒光纤光纤激光器的的时间可以追述到1 9 9 4 年，t a k a h a s h i 利用多段掺铒光纤作为增益介质分别产生不同波长的激光输出【5 引。这类有多个增益介质的多波长光纤激光器采用多个谐振腔，本质上是独立的多个激光器组合，获得多波长激光输出的成本较高，因此这类多波长光纤激光器现在已经被单增益介质的多波长光纤激光器取代。然而，由于室温下掺铒光纤的均匀展宽特性，想要用已经发展比较成熟的掺铒光纤激光器获得稳定的多波长激光输出就必须寻找特殊方法来抑制掺铒光纤的均匀展宽特性引起的模式竞争。目前已经有不少实现掺铒光纤激光器多波长稳定输出的方法和技术，其中包括低温冷却铒光纤技术【5 9 ，6 0 l 、移频或相位调制技术【6 l 6 2 1 、烧孔效应【6 3 】等。今后多波长光纤激光器技术的发展方向包括低成本的多波长稳定技术、波长间隔调谐技术以及单频多波长光纤激光器技术等。我们将在本论文的第二章详细探讨多波长光纤激光器技术。锁模光纤激光器在超快光学、非线性光学、生物光学、光信息处理以及激光加工等领域具有重要的研究价值，得到人们的广泛关注。激光器的锁模技术最早出现于1 9 6 5 年，基于锁模技术的红宝石激光器获得了皮秒级的激光脉冲。随着光纤激光器技术的进步，8 0年代末就出现了锁模光纤激光器。1 9 8 9 年出现了主动锁模掺铒光纤激光器，获得了4p s的光脉冲【3 引。进入9 0 年代，人们对锁模光纤激光器在理论和实验方面做了大量的工作。诸如主动锁模【6 4 1 、谐波锁模【6 5 】、有理数谐波锁模【删、附加脉冲锁模【6 7 1 、注入锁模f 6 8 】、非线性光学环形镜锁模【6 9 1 、非线性偏振旋转锁模【7 0 1 等锁模理论和技术被提出和发展起来。锁5浙江大学博士学位论文模光纤激光器技术发展的过程中，多数相关的研究集中在获取超短光脉冲。例如，1 9 9 5年k w a d a 等人报道了用调q 锁模激光器获得了中心波长为1 5 6 0a m 、重复率为1t h z 、脉宽为1 6 0f s 的超短光脉冲【7 l 】。2 0 0 4 年，人们利用锁模光纤激光器可以获得脉宽小于3 0f s的光脉冲【7 2 1 。与此同时，人们也关注获取高能量的光脉冲。2 0 0 2 年，有人报道了基于非线性光环形镜获得了能量为1n j 、脉冲宽度为1 0 0f s 的光脉冲【7 3 1 。2 0 0 5 年，人们在1 0 4 0m波段获得了平均功率为1 3 1w 、单脉冲能量为1 8u j 、脉冲宽度为2 2 0f s 的光脉冲输出【7 4 1 。另外，在前几年出现了新型的锁模光纤激光器技术，即傅立叶域锁模( f d m l ) 光纤激光器技术1 1 9 ，7 5 1 。这种新型锁模光纤激光器技术在光学相干成像( o c t ：o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ) 以及光学传感方面具有重要的应用价值，本论文将在第三章展开f d m l 光纤激光器技术的相关研究。单频光纤激光器又称单纵模光纤激光器，在光纤通信、光纤传感以及近年新兴的学科如微波光子学和太赫兹学方面有重要的应用价值。单频光纤激光器技术的最先突破来自f b g 技术，1 9 9 1 年b a l l 等人首次利用f b g 技术获得了光纤激光器的单频输出【3 5 】。1 9 9 4年，h o r o w i m 等人报道另外一种实现光纤激光器单频输出的技术，他们在激光器的线形谐振腔内加入一段掺铒光纤作为饱和吸收体来抑制跳模，在1 5 3 2n l i l 波长获得了5k h z 窄线宽激光输出【7 6 1 。1 9 9 5 年，m s e i l 【a 等人发现了采用相移d f b 光纤激光器可以获得单频激光输出，测得激光线宽为1 5k h z 7 7 1 。进入新世纪，由于高掺杂浓度光纤的出现，单频光纤激光器的输出功率不断提高。2 0 0 3 年，n pp h o t o n i c s 公司获得1 0 0m w 功率输出工作波长在1 5 5 0n n l 的超短腔单频光纤激光器，其激光线宽小于2k h z 7 引。除了对单频光纤激光器线宽的关注以外，最近几年来，已经出现一些有关大功率的单频光纤激光器【7 9 】的报道。另外，由于微波光子学等学科的应用需求，双波长或多波长单频光纤激光器技术成为最近的研究热点1 8 0 8 1 1 。本论文将在第四章就双波长单频光纤激光器技术及其在光学微波产生方面的应用做进一步研究。1 2 3光纤激光器的发展趋势经过4 0 多年的发展，光纤激光器的理论已经相当完善，诸如激光器理论、锁模理论、调q 理论、光孤子理论等已经被完整地建立起来。光纤激光器技术尽管也已经形成比较完整的体系，但后续的发展仍然值得期待。本文认为，在新的世纪里，光纤激光器的发展呈现以下几个趋势特征：一、大功率光纤激光器技术将得到进一步的发展。由于国防军事以及工业加工的需求61 绪论推动，大功率光纤激光器仍将是未来一段时间内一个重要的研究热点。小型化的大功率光纤激光器作为激光武器，特别是作为车载或是机载乃至太空使用的新型武器，得到了各国的重视。大功率光纤激光器技术的发展依赖于新型增益光纤的发展和泵浦耦合技术的提高，其目标在于进一步提升单纤的输出功率和光纤激光器整体的输出功率，进一步减少光纤激光器系统的体积和质量。二、光纤激光器将进一步扩展其输出波长的范围。目前光纤激光器的输出波长已经覆盖从可见光到近红外的频谱范围。而在新的世纪里，研究新波长光纤激光器是一个重要的发展趋势。比如目前研究和开发2 微米以上中红外波长的光纤激光器在军事应用方面具有重要的意义。三、光纤激光器技术应用研究将成为重要的趋势。4 0 来年，光纤激光器本身已经得到长足的发展，一些技术可以应用到各个领域。光纤激光器技术应用研究一方面将大大拓展光纤激光器的应用领域、提高应用水平，特别是针对最近几年新兴的一些学科，光纤激光器有着重要的应用价值，因此，其应用研究就显得格外重要；另一方面，从应用角度来设计新型光纤激光器或提升已有光纤激光器性能，这对于光纤激光器技术发展具有重要的意义。本文的研究可以归纳到上文提到的光纤激光器的发展的第三个趋势：先进光纤激光器技术以及应用研究。从光纤激光器作为一种特殊技术的角度出发，分别就多波长光纤激光器技术、锁模光纤激光器技术、单频光纤激光器技术本身以及其应用做深入研究；我们从应用角度来设计和实现一些先进的光纤激光器，以获得更好的应用效果。本文进行大量的实验研究，提升了多波长光纤激光器技术的水平，发展了傅立叶域锁模光纤激光器技术及在光传感方面的应用，推进了双波长单频光纤激光器技术在光学微波信号产生方面的应用。1 3 本论文的章节安排本论文在前人针对多波长光纤激光器、锁模光纤激光器以及单频光纤激光器研究的基础上，就多波长光纤激光器技术、傅立叶域锁模光纤激光器技术和双波长单频光纤激光器技术等先进光纤激光器技术以及它们在光传感、微波光子学方面的应用做了深入的实验研究。本文的章节安排如下：第一章首先简述了光纤激光器的基本特性及其发展历史；接着介绍了几种重要光纤激7浙江大学博士学位论文光器技术的研究进展，并对光纤激光器的发展趋势进行了说明和讨论；最后给出了本文的本文的章节安排及创新说明。第二章简述了多波长光纤激光器技术的研究背景；介绍了两种多波长光纤激光器技术方案，并获得了波长间隔可调谐多波长激光稳定输出；最后简介了光子晶体光纤，提出了一些设计方案，并给出了光子晶体光纤应用于光纤激光器的例子。第三章简述了f d m l 光纤激光器的背景和概念；介绍了我们搭建的连续波f d m l 光纤激光器并将其应用用到光纤布拉格光栅解调；接着详细地说明了我们新提出的频谱受限f d m l 光纤激光器，讨论了其在光纤布拉格光栅多点传感系统中的应用；最后描述了利用频谱受限f d m l 光纤激光器技术和拉曼放大来实现远距离应力传感的例子。第四章介绍了微波光子学中光学微波产生的研究背景；接着描述了基于光纤布拉格光栅对( f b g p ) 的单频光纤激光器并利用该技术实现了光学微波产生；然后介绍了基于双折射高浓度掺铒的双波长单频光纤激光器以及光学微波产生；最后给出了实现光学微波信号产生的其它方法并举例介绍了微波光子滤波器。最后是全文的总结和未来研究的展望。1 4 本论文的主要创新点一、首次利用光子晶体光纤四波混频效应及其滤波功能实现了多波长掺铒光纤激光器。实现多波长滤波以及多波长激光稳定输出是多波长掺铒光纤激光器最为重要的技术。在多波长掺铒光纤激光器多波长激光稳定输出方面，已报道的多波长掺铒光纤激光器一般结构复杂、成本较高，利用光子晶体光纤四波混频效应是相对简单的方法。光子晶体光纤由于其灵活的结构，可以同时具有高双折射、高非线性系数和低色散，我们利用其高双折射特性实现多波长滤波功能，利用其高非线性系数和低色散特性实现掺铒光纤激光器多波长激光稳定输出，是在国内外首次报道在光纤激光器内同时利用光子晶体光纤的滤波和功率稳定技术。二、首次提出了在光子晶体光纤纤芯引入微小尺度空气孔的光纤设计方案。在光子晶体光纤纤芯引入微小尺度空气孔，可以提供人们对光纤纤芯折射特性、双折特性灵活设计的空间，为进一步改善光子晶体光纤双折射、色散等特性提供了新的思路。该设计方案已经引起国外多个研究小组的注意，并有研究人员根据这种设计思路开始制作新型光子晶体光纤。三、首次实现了多种多波长光纤激光器输出激光波长间隔的可调谐。我们提出了基于81 绪论光学可调延迟线器件的光纤马赫曾德干涉仪，实现了波长间隔可调谐的滤波功能。将该光纤马赫曾德干涉仪应用于基于混合增益以及四波混频效应多波长光纤激光器，实现了输出激光波长的可调谐。该技术对于进一步拓展多波长光纤激光器应用具有重要意义。四、对于f d m l 光纤激光器技术在光传感，特别是f b g 传感应用方面做了开创性的工作。我们首次将f d m l 光纤激光器技术应用于f b g 解调；首次提出并实现了频谱受限f d m l 光纤激光器；首次利用频谱受限f d m l 光纤激光器技术实现了f b g 多点的传感；首次利用频谱受限f d m l 光纤激光器技术实现了远距离应力传感。五、首次基于f b g p 实现了单波长、双波长单频光纤激光器以及光学微波产生。f b g p提供了窄带滤波的功能，因此可以用来实现单频光纤激光器。由于f b g 制作技术已经非常成熟，利用f b g p 这种成本低廉的器件可以实现较长腔长的单频光纤激光器，这对于实现低成本的窄线宽单频光纤激光器具有重要的应用价值。92 多波长光纤激光器技术2 多波长光纤激光器技术本章提要：简单介绍了多波长光纤激光器的应用背景及关键技术；实验研究了结合半导体光放大器的多波长掺铒光纤激光器、基于拉曼和掺铒光纤混合增益的多波长光纤激光器，获得了波长间隔可调谐、稳定输出的多波长激光输出；在掺铒光纤激光器中加入了四波混频介质，分别以色散位移光纤和光子晶体光纤的四波混频效应实现了掺铒光纤激光器的稳定多波长激光输出；介绍了近来迅速发展的光子晶体光纤，提出了几种高双折射光子晶体光纤的设计方案，给出了光子晶体光纤应用于光纤激光器的几个实例，