（光学专业论文）单频单偏振窄线宽光纤激光器.pdf

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 研究成果据我所知，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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅本人授权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，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： 签字日期：年月日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字e l 期：年月 日 电话： 邮编： 摘要 摘要 与半导体激光器和其他一些固体激光器相比，光纤激光器具有抽运阂值低， 耦合效率高，散热效果好，调谐范围宽，结构紧凑，重量轻等优点，目前已广泛 应用于现代光通信、光传感、材料技术、生命科学及精密加工等领域。而窄线宽 光纤激光器是光纤激光器发展的一个热点方向。它除了具有上述光纤激光器的特 点外，还以其窄线宽、低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥感、高精度光 谱及光纤通信领域。本论文对窄线宽光纤激光器进行了重点讨论。 首先，我们对如何利用饱和吸收体实现环形腔单频激光输出及利用布拉格光 栅实现超短线形腔单频激光输出作出了理论分析；然后利用琼斯矩阵方法分别模 拟了两种腔结构的偏振状态变化，为实现激光器稳定单偏振输出提供了理论依 据；接着分析了不同腔体结构的激光器线宽产生机制。 其次，我们在第二章理论分析的基础上，对单频单偏振环形腔窄线宽光纤激 光器进行了实验研究。实验结果表明，该输出激光非常稳定，光谱信噪比高于 5 0 d b ，功率约为2 3 m w 。激光单频特性很好，边模抑制比高于4 5 d b ；线宽约为 o 8 k h z 。并且可以长时间保持稳定的单偏振状态，消光比高于2 0 d b 。 再次，我们又对超短线形腔窄线宽光纤激光器的单频和窄线宽特性进行了实 验研究，提出了使用铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤作为增益介质进一步压缩激光线 宽、提高功率的可能性，并对如何实现单偏振激光输出提出了两种可行性方案。 最后，我们对受激布里渊散射原理进行了理论分析：然后讨论了两种布里渊 多波长光纤激光器的结构，并对它们进行了实验研究，为布里渊窄线宽光纤激光 器的实现提供依据；在前期工作的基础上，提出了布里渊窄线宽光纤激光器的结 构，并做了相应的实验研究，为今后的工作指明了方向。 关键词；光纤激光器，单频，单偏振，窄线宽 单频单偏振窄线宽光纤激光器 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t hs e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n do t h e rs o l i dl a s e r s ，f i b e rl a s e r sh a v e l o wt h r e s h o l d ，h i g hc o u p l i n ge f f i c i e n c y , g o o dh e a td i s s i p a t i o n ，w i d e l yt u n a b l er a n g e ， c o m p a c ts t r u c t u r ea n dl i g h tw e i g h t b e c a u s eo ft h e s ea d v a n t a g e s ，t h e yh a v eb e e n w i d e l yu s e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，o p t i c a ls e n s o r s ，m a t e r i a lt e c h n i q u e ，l i f e s c i e n c e 。p r e c i s i o nm a c h i n i n ga n do t h e ri n t e r r e l a t e df i e l d s a n dt h ef i b e rl a s e rw i t l l n a l t o wl i n e w i d t hi sah o tr e s e a r c ht o p i c b e s i d e st h ea d v a n t a g e sa b o v e ，t h ef i b e rl a s e r w h i c hh a sn a r r o wl i n e w i d t ha n dl o wn o i s e ，h a sa l s ob e e nw i d e l yu s e di no p t i c a l s e u s o r s ，o p t i c a l r e m o t e s e n s i n g ，h i g h a c c u r a c y s p e c t r a l a n a l y s i s ，o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n sa n ds oo n s ot h i s p a p e rf o c u s e so nt h e d i s c u s s i o no ft h e n a r r o w 1 i n e w i d t hf i b e rl a s e r f i r s t , w ea n a l y z et h e o r e t i c a l l yh o wt or e a l i z es i n g l ef r e q u e n c yo u t p u tu s i n g s a t u r a b l ea b s o r b e ri nr i n gc a v i t ya n db r a g gg r a t i n g si nl i n e a rc a v i t y , r e s p e c t i v e l y t h e nw es i m u l a t et h ep o l a r i z a t i o nv a r i a t i o nb yj o n e sm a t r i xa n da n a l y z et h e m e c h a n i s mo fl i n e w i d t hn a r r o w i n gc o r r e s p o n d i n gt o t h et w oc a v i t yc o n f i g u r a t i o n n e x t ， w ed o e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h e s i n g l e f r e q u e n c y a n d s i n g l e p o l a r i z a t i o nf i b e rr i n gl a s e rw i t hn a r r o wl i n e w i d t hb a s e do i lt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h el a s e ro u t p u tr e a c h e s2 3 m w s i g n a l t o n o i s er a t i oi s h i g h e rt h a n5 0 d b ，s i d em o d es u p p r e s s i o nr a t i oi sh i g h e rt h a n4 5 d b ，l i n e w i d t hi sl e s s t h a n0 ，8 k h za n dp o l a r i z a t i o ne x t i n c t i o nr a t i oi sh i g h e rt h a n2 0 d b s ot h el a s e rw h i c h w ep r e s e n tc a nr e a l i z es i n g l ef r e q u e n c y , s t a b l ep o l a r i z a t i o ns t a t ea n dn a r r o wl i n e w i d t h a tt h es a m et i m e t h e n ，w ed oe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h es i n g l ef r e q u e n c ya n dl i n e w i d t h n a r r o w i n go ff i b e ru l t r a - s h o r tl i n e a rc a v i t yl a s e r e r b i u ma n dy r e r b i u mc o d o p e d p h o s p h a t eg l a s so p t i c a lf i b e r , w h i c hu s i n ga sg a i nm e d i u mt on a r r o wl a s e rl i n e w i d t h a n di n c r e a s eo u t p u tp o w e r , i sp o i n t e do u t a n dw ed i s c u s st w op o s s i b l em e t h o d sf o r r e a l i z i n gs i n g l e p o l a r i z a t i o ns t a t eo u t p u t f i n a l l y , t h ep r i n c i p l eo fs t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n gi sa n a l y z e d w ep r e s e n t 4 a b s t r a c t t h e c o n f i g u r a t i o no f b f i l l o u i nn a r r o w l i n e w i d t hf i b e rl a s e ra n dd or e l e v a n t e x p e r i m e n t sb a s e do nm u c h w o r ko nm u l t i w a v e l e n g t hb r i l l o u i nf i b e rl a s e rp r e v i o u s l y a tl a s t ，w ep o i n to u tt h ed i r e c t i o nt h a tw em a k ee f f o r t sf o r t h ef u t u r e k e y w o r d s ：f i b e rl a s e r , s i n g l ef r e q u e n c y , s i n g l ep o l a r i z a t i o n ，n r i t o wl i n e w i d t h 5 单频单偏振窄线宽光纤激光器 第一章绪论 1 1 光纤激光器的研究背景 光纤激光器的研究始于2 0 世纪6 0 年代【啦】。早在1 9 6 1 年，美国光学公司的 e s n i t z e r 等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作，但由于相关条件的限制， 其实验进展相对缓慢口】。1 9 6 6 年，华裔科学家高锟在他的著名论文中解决了石英 光纤损耗的理论问题，提出了研制低损耗光纤的可能性。1 9 7 0 年，美国康宁公司 研制成功了第一根低损耗光纤【4 l 。而8 0 年代英国s o u t h a m p t o n 大学的s b p o o l e 等 用m c v d 法制成了低损耗的掺铒光纤，从而为光纤激光器带来了新的前景【5 1 。 近几年，光纤激光器成为激光领域的热门研究课题，在现代光通信、光传感、 材料技术、生命科学及精密加工等领域广泛应用。与半导体激光器和固体激光器 相比，其具有很多优点：抽运阈值低、转换效率高、散热效果好、调谐范围宽、 耦合效率高、结构紧凑等。目前，光纤激光器的研究热点主要集中在窄线宽光纤 激光器、高功率光纤激光器和超短脉冲光纤激光器等方面。而窄线宽光纤激光器 又是光纤激光器发展的一个重要方向。它除了具有上述光纤激光器的特点外，还 以其窄线宽、低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥感、高精度光谱及光纤 通信领域1 6 】。本论文对窄线宽光纤激光器进行了重点讨论。 1 2 光纤激光器的几种结构 光纤激光器的结构主要分为三大类：环形腔、线形腔和复合腔。由于复合腔 结构基本上是由线形腔，环形腔和其它一些结构复合而成，这里我们主要对环形 腔和线形腔结构作进一步介绍。 1 2 1 环形腔光纤激光器 环形腔激光器的结构有很多种，相对比较复杂，其基本结构如图1 1 所示。 泵浦光通过波分复用器进入由掺杂光纤、隔离器和耦合器构成的环形谐振腔，输 出激光从耦合器输出。环形腔结构虽然较为复杂，但是由于其中的行波场特性， 6 第一章绪论 可以消除空间烧孔，并且通过在腔中使用饱和吸收体、起偏器、可调谐滤波器或 调q 等装置，很容易实现窄线宽、单偏振、可调谐连续或脉冲激光输出。 隔离器 图1 1环形腔光纤激光器的基本结构示意图 1 2 2 超短线形腔光纤激光器 泵浦光 泵浦光 ( a ) 分布反馈式光纤激光器的基本结构 ( b ) 分布布拉格式光纤激光器的基本结构 图1 2 超短线形腔基本结构示意图 超短线形腔光纤激光器主要分为分布反馈式( d f b ) 和分布布拉格反射式 7 单频单偏振窄线宽光纤激光器 ( d b r ) 两类。其基本结构如上图1 2 所示。 比较上面两张结构图，我们可以看出d f b 光纤激光器优越于d b r 光纤激光 器之处主要是只用一个光栅来实现光反馈和波长选择，因而频率稳定性更好，还 避免了掺铒光纤与光栅的熔接损耗。但是，虽然可以直接将光栅紫外写入掺铒光 纤，因为纤芯含锗少或没有，光敏性差，所以d f b 光纤激光器实际制作并不容 易。而d b r 光纤激光器则可以将掺锗光纤光栅熔接在掺铒光纤的两端构成谐振 腔，制作更为简便【7 1 。因此我们更关注d b r 光纤激光器。以下章节中，我们对 窄线宽超短线形腔光纤激光器的讨论也是以d b r 光纤激光器为例。 1 3 窄线宽光纤激光器的发展概况 由于窄线宽光纤激光器的独特优势，近几年，这方面的研究工作取得了较大 的进展。在环形腔激光器方面，本实验室利用饱和吸收体实现了线宽小于0 5 k h z 激光输出1 8 】：在超短腔激光器方面，c s p i e g e l b e r g 等人，利用一段几厘米长的铒 镱共掺磷酸盐光纤作为增益介质和一对光纤布拉格光栅构成d b r 结构的激光 器，实现了功率2 0 0 m w ，线宽小于2 k h z 的激光输出1 9 j ；而在布里渊激光器方面， 美国n pp h o t o n i c s 公司研制的激光器实现了线宽小于2 0 0 h z 的激光输出【1 0 】。未 来窄线宽光纤激光器的发展趋势将体现在i l i 】：进一步提高激光器的稳定性，优化 光束质量：进一步压窄线宽，提高输出功率和转换效率。 1 4 单频单偏振窄线宽光纤激光器的研究意义 光纤激光器是当前激光技术研究领域中的前沿课题，国家自然科学基金和 “8 6 3 ”计划在最近几年中也分别将其列为重大研究课题和攻关项目 1 2 1 。下面我 们将对我们所研究的单频单偏振窄线宽光纤激光器的特点进行进一步介绍。 1 、单频窄线宽特性 窄线宽激光器除了具有光纤激光器的优点之外，实现了单一纵模振荡，输出 光具有极好的的时间相干性和极低的相位噪声，普遍应用于光纤传感、光纤遥感、 高精度光谱分析和光纤通信领域。 2 、单偏振输出特性 由于光纤激光器中偏振模的模式竞争会引起输出光功率的变化，将会产生一 第一章绪论 定的强度噪声；而在光纤通信及许多偏振敏感性要求较高的应用如：外部调制、 光纤陀螺和干涉形传感器中，需要输出激光具有稳定的偏振态，因此长期保持激 光器的单偏振及一定的消光比输出，也具有很重要的意义。 综上所述，单频单偏振窄线宽光纤激光器除了应用于光通信领域以外，还可 以广泛应用于对温度、应力、场强、电流的物理量的传感测量。欧美发达国家已 经将之应用于国防军事、石油、安保、水听器声纳阵列、地震监测等方面。因此 单频单偏振窄线宽光纤激光器的研究具有十分重要的理论和实际意义。 本章参考文献 1 c j k o e s t e ra n de s n i t z e r a m p l i f i c a t i o ni naf i b e rl a s e r j a p p l o p t 。1 9 6 4 ，3 ：1 1 8 2 2 j s t o n ea n dc a b u r r u s n e o d y n m i u md o p e ds i l i c al a s e ri ne n d p u m p e d f i b e rg e o m e t r y j a p p l p h y s l e t t ，1 9 7 3 ，2 3 ：3 8 8 3 习聪玲，乔学光，贾振安光纤激光器的研究与发展前景 j 光通信技 术2 0 0 6 ，l ：5 2 4 李玉权，崔敏光波导理论与技术人民邮电出版社2 0 0 2 ：2 5 郭晓东，乔学光，贾振安，王小风掺铒光线激光器的研究与进展 j 激光 与光电子学进展2 0 0 3 ，1 2 ：1 4 5 6 高雪松，高春清，宋学勇。等窄线宽光线激光器关键技术研究 j 激光与 红外2 0 0 6 ，3 6 ( 6 ) ：4 4 1 4 4 4 7 张劲松，裴丽，魏道平，等单频d b r 和d f b 光纤激光器综述 j 光电子激 光1 9 9 8 ，9 ( 4 ) ：3 5 2 3 5 5 8 俞本立，钱景仁，罗家童，等线宽小于0 5 k h z 稳态的单频光纤环行腔激光 器 j 量子电子学报2 0 0 1 ，1 8 ( 4 ) ：3 4 5 - 3 4 8 9 c s p i e g e l b e r g ，j i h o n gg e n g ，e ta 1 l o wn o i s en a r r o w l i n e w i d t hf i b e r l a s e ra t1 5 5 0n m j j l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，2 0 0 4 ，2 2 ( 1 ) ：5 7 6 2 1 0 j i h o n gg e n g ，s e a ns t a i n e s ，z u o l a nw a n g ，e ta 1 h i g h l ys t a b l el o w n o i s e 9 单频单偏振窄线宽光纤激光器 b r i l l o u i nf i b e rl a s e rw i t hu l t r a n a r r o ws p e c t r a ll i n e w i d t h j i e e e p h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，2 0 0 6 ，1 8 ( 1 7 ) ：1 8 1 3 1 8 1 5 儿 杨青，俞本立，甄胜来，等光纤激光器的发展现状 j 光电子技术与信息， 2 0 0 2 ，1 5 ( 5 ) ：1 3 1 8 1 2 廖胜辉光纤激光器及其在传感中的应用 d 湖北武汉：武汉理工大学， 2 0 0 5 1 0 第二章单频单偏振窄线宽激光输出的理论分析 第二章单频单偏振窄线宽激光输出的理论 分析 本章从理论上重点分析了环形腔和超短线形腔光纤激光器的单频、单偏振和 窄线宽输出特性。由于布里渊窄线宽光纤激光器的特殊性，我们将在第五章中单 独进行介绍。 2 1 单频激光输出的理论分析 实现单频激光的输出通常有在腔中置入法布里一珀罗标准具、布拉格光栅、 非相干技术和饱和吸收体等几种方法【1 。下面，我们将对如何利用饱和吸收体 实现环形腔单频激光输出及利用布拉格光栅实现超短线形腔单频激光输出作出 理论分析。 2 1 1 环形腔的单频激光输出理论分析 对于环形腔光纤激光器，我们利用未泵浦掺铒光纤中形成的驻波干涉和饱和 吸收诱发的自写入光纤光栅窄带滤波特性可以实现稳频和压窄线宽的作用岳钔。 其基本结构如图2 1 所示： 耦台 图2 1 单频窄线宽环形腔光纤激光器结构 单频单偏振窄线宽光纤激光器 它主要由波分复用器、增益掺铒光纤e d f i 、环行器、未泵浦掺铒光纤e d f 2 、 光纤布拉格光栅和输出耦合器组成，环行器反射臂上的掺铒光纤和光纤布拉格光 栅。由于环行器的光隔离作用，进入腔内的泵浦光不能进入反射臂，所以这段掺 铒光纤是未泵浦的。入射光从臂1 经环行器进入臂2 ，经过饱和吸收光纤后，由 光纤布拉格光栅反射回来，再和入射光在饱和吸收光纤中叠加，设入射光光场为： e l ( f ，z ) = j le x p j ( j r 一届z + 办) ( 2 1 ) 上式中，为入射光的光强，f 为时间，z 为光纤轴向坐标，q 和届分别为入射光 的角频率、光的传播常数，矾是入射光的初始相位。此时反射场可表示为： e 2 ( t ，z ) 2 厶e x p j ( m z t + f l z z + 妒z ) ( 2 2 ) i - k * ，：为反射光的光强。吐和屈分别为反射光的角频率和光的传播常数。破 是反射光的初始相位。叠加场显然为： e ( t ，z ) = e l ( f ，z ) + e 2 ( r ，z ) ( 2 3 ) 则光纤中的光强分布为： l q ，z ) = e u ，z ) e q ，z ) = + l + 2 、i i c o s 【( q 一哆弦一( 届+ 屈) z + ( 萌一硅) 】( 2 4 ) 由上式可以看出： ( 1 ) 如= q = ：( 此时= 届= 屈) ，则有： ，( f ，z ) = 1 1 + l + 2 4 1 t 1 2e o s 2 p z 】 ( 2 5 上式说明当频率相同的两束光相向传输时，在光纤中形成了典型的驻波干涉。这 里为了方便，一般令而一九= 0 。 ( 2 ) 从( 2 4 ) 式可以看出，当o j 2 时，由于拍频存在，而使驻波逐渐不稳。 而当和：相差过大时，( 2 - - 4 ) 式最后一项的在较短的时间内平均即为零，则 有： l ( t ，z ) = i + 1 2 ( 2 6 ) 上式说明了，当和相差过大时，光纤中的光强实际上是处处相等的。 第二章单频单偏振窄线宽激光输出的理论分析 由于饱和吸收，导致7 这曲种小i j 彤式f 的光存在看不同的光损耗。这一点 可以通过两能级的速率方程来说明，掺铒光纤的速率方程为： 警= 盖桃训+ 等 。：吲 - 和2 分别是基态和亚稳态的铒离子分布密度，i 是光强，盯是跃迁截面，光 场重叠系数，u 是光的频率，h 为p l a n c k 常数，f 为铒离子荧光寿命。此时吸收 系数可以表示为： y o = r c r ( n 2 一n 1 ) ( 2 - - 8 ) 则光功率的净损耗为： 一细2j 1 y o d z 2 叨( i + 2 ) _ 去严 2 9 ) 式中c = 2 0 7 7 么u ，将( 2 5 ) 和( 2 6 ) 式代入上式，则净损耗为 ， 铀。= 1 圪i 胧= o 上式忙2 c 啪圳】，显然口一定是，j 、于1 的。蚓睇明白的告 诉我们，当在饱和吸收体中形成驻波干涉时，其损耗是最低的。 很明显激光将在损耗最低处开始激发，一旦该频率激光产生后，将会有效地 抑制其他频率激光的产生。因为：由于振荡频率的不同，会产生拍频，而拍频的 、 存在阻止了驻波的形成，由于驻波不能形成，则损耗较大，而损耗较大处，难于 大于阈值而形成激光。所以利用饱和吸收体中的驻波干涉可以使光纤环形腔激光 器产生单纵模激光输出，同时也能有效地抑制跳模。 从另一角度来看，当光功率和掺铒光纤长度合适时，在驻波波峰处会发生饱 和吸收，即诱发了空间烧孔现象，形成了自写入光纤光栅。和接在末端的光纤 b r a g g 光栅相比是带宽更窄的反射光栅，能够抑制边模激光，所以能在这类结构 光纤环形腔激光器中得到单纵模输出，同时跳模的现象得到了有效的解决。 击m 查一 旦妒三妒 积 砥 单频单偏振窄线宽光纤激光器 2 1 2 超短线形腔的单频激光输出理论分析 对于超短线形腔光纤激光器，由于其腔长很短，再加上光纤布拉格光栅的窄 带滤波特性，与环形腔光纤激光器相比，其更易于实现激光的单频输出。 由于铒元素的增益带宽比光纤光栅的反射带宽大的多。因此，可以认为在光 栅的反射带宽内铒元素对激光器内各纵模的增益是均匀的，所以模式选择机制只 能来自于光纤光栅。光栅的窄带反射特性限定了分布布拉格反射腔中很窄波长范 围内的光才能得到增益，一旦偏离这个范围，损耗将急剧增加而不能满足激射条 件【9 1 。 根据耦合波理论，在弱波导的情况下，即当q 2 2 时，光纤光栅的反射 率与波长的关系可以写为： 酬= 而嚣( 2 - - 1 1 )r 协) 2 万面瓦帚诵 其中，a 为波长，三。为光栅长度，q 为耦合系数，筇= 一仁a ) ，为本征传 播常数，人为光栅周期，s ：( q ：一筇：卢。 激光的主模将会落在光纤光栅反射带宽的中央即布拉格波长处，其他模式将 对称地分布在主模的两边。由于上面已经提到增益介质对于这些纵模的增益是相 同的，且光纤光栅的反射谱是对称的，因此考虑实现单模运作时，只需要分析与 主模相隔一个纵模间距屈的模式即可。而属= 形，。为激光器腔长。当此 模式由于损耗大于增益而不能激射时，除了主模外的其他纵模由于腔内损耗更大 也不能激射，因此就可得出单纵模工作的条件。 掺铒光纤中的铒离子为典形的三能级系统“】，如下图2 2 所示。置，为能级i 上的离子在泵浦源作用下被抽运到能级3 的几率。能级3 上的离子主要以无辐射 跃迁的形式极为迅速地转移到激光上能级2 ( 几率墨：) ，还能以自发辐射 ( 几率爿，。) ，无辐射跃迁的( 几率岛) 等方式返回激光下能级i 。4 。、是。分别为能 级2 到能级i 的自发辐射几率，无辐射跃迁几率。，、：分别为能级i 、2 间 的受激辐射和吸收跃迁几率。l 、2 、也、n 分别为能级1 、2 、3 上的离子 第二章单频单偏振窄线宽激光输出的理论分析 数及总离子数。 r 3 j l j l3s3l ，力。 3l 1 r1 图2 2 铒离子三能级系统示意图 速率方程可以写为： 笔争= 3 墨：一2 ( 4 。+ 是。) + ( l 彬：一n 2 r v 2 。 警= l 马，一m 墨：一m “+ 墨) ( 2 - - 1 2 ) n + n l + n 3 = n 在稳态下，!堕：型彗：dn一3：o，同时考虑到蜀，、4。、墨。 9 9 9 8 0 r i m 泵浦光通过w d m 进入谐振腔，产生的激光经f b g 2 反射，从f b g l 透射后，由 隔离器输出。 4 2 超短线形腔窄线宽光纤激光器的实验研究 4 2 1 超短线形腔窄线宽光纤激光器的单频特性研究 i 聋己- l d ：日d ：5 5 sep b ， 己d 日叶 r ll 己5d 日mhkr#luull 5 h 57 5 几m k s e h s _ 0 5 6i d b m l l i r q 】d b 而一 ，1 旦- 且争d b 7 马1 u 月sehsitiuiwy = 弓占ii f a _ b m l 、 i k l 图4 2 激光光谱图 根据激光的自由谱宽公式： f s r ：三 2 n l 其中，为线形谐振腔的腔长。 由于线形腔的腔长很短，纵模间距f s r 大，再加上两端光纤光栅的窄带选 频作用，很容易实现单频激光的输出。 如上光谱图所示，输出激光为很好的单频光，信噪比大于5 0 d b ，功率为3 m w 。 4 2 2 超短线形腔窄线宽光纤激光器的窄线宽特性研究 这里，我们测量该激光器的线宽时采用外差检测技术 6 - 8 。一路激光通过声 光调制器使其产生1 0 0 m h z 的频移，另一路通过1 5 k m 延时线后，两路光在输出 端检测到的外差信号如图所示，激光的线宽明显小于4 0 0 l d t z 。 第四章超短线形腔窄线宽光纤激光器 1 0 02 m1 0 04 m1 0 06 m1 0 08 m1 0 1o m f r e q u e n c y ( h z ) 图4 3 激光线宽 在实验中，我们使用的增益介质是铒镱共掺光纤。但是普通的该类光纤在实 现高浓度掺杂的同时，会导致离子对、离子团的形成，产生自脉动现象”。相 比之下，铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤具有较好的化学稳定性和热稳定性，可以避免 高浓度掺杂引起的自脉动现象，增益可达到2 5 0 d b m 1 2 - 1 3 。如此高的吸收率可以 大大提高线形腔激光器的输出功率。 而根据s c h a w l o w - t o w n e s 线宽极限公式： ：掣掣 当输出功率提高的同时，可以降低激光输出线宽。因此，若使用铒镱共掺磷酸盐 玻璃光纤作为增益介质，不但可以增大线形腔激光器的输出功率，还能压窄其线 宽。 4 2 3 超短线形腔窄线宽光纤激光器的单偏振特性研究 在第二章中，我们对使用全保偏器件实现单偏振激光输出进行了理论分析。 除了这种方法以外，在这一节中，我们还将讨论能够实现线形腔激光器单偏振输 出的两种方案。 第一种方案的结构图如下所示： 口 口 口 0 0 o 0 o o o o i o o o o o 5 o 5 o 5 2 2 1 ， ()言c卫ul 单频单偏振窄线宽光纤激光器 9 8 0 n m 泵浦光 1 5 5 0 n m 光输出 图4 4d b r 窄线宽光纤激光器的单偏振激光输出示意图 激光器谐振腔由一段e r y b 共掺光纤、一个宽带保偏光栅和一个窄带普通 光栅构成。9 8 0 r t m 泵浦光经保偏波分复用器进入谐振腔，最后由隔离器输出。 由于保偏光纤的双折射效应，会使保偏光栅的两个不同偏振态在其透射谱 中会分开。因此我们适当的用应力调节激光器腔长，当输出激光经宽带保偏光栅 透射后激射的偏振态与经窄带普通反射光栅的反射光偏振态相匹配时，即实现单 偏振激光输出。 第二种方案的结构图如下所示： 图4 5 刻制光栅的结构示意图 第四章超短线形腔窄线宽光纤激光器 这种方案为美国的一个专利【1 4 】。众所周知，光栅的制作大多是通过紫外光 在裸光纤上照射形成，因此裸光栅在制作激光器过程中很容易断裂。而这种方案 很好的解决了这个问题：3 3 4 n m 氩激光器利用相位掩模法将光栅直接写进掺钕光 敏光纤里，而无需剥光纤包层再进行刻制。 9 8 0 n m 泵浦光 输出激光 图4 6 超短线形腔窄线宽光纤激光器的单偏振激光输出示意图 激光器谐振腔由一段e r - y b 共掺光纤、一个用以上方法刻制的掺钕光栅和一 个全反镜构成。9 8 0 h m 泵浦光经保偏波分复用器进入谐振腔，最后由其1 5 5 0 n m 端输出。如上图所示，将掺钕光栅处打成一个很紧的小环，由于激光的两个偏振 态在光栅节点处的损耗不同，会引起一个偏振态的衰落，从而实现激光的单偏振 输出。 小结 由于线形腔光纤激光器的制作工艺较为困难。本章只对该类光纤激光器的单 频和窄线宽特性进行了实验研究，提出了使用铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤作为增益 介质进一步压缩激光线宽、提高功率的可能性，并对如何实现单偏振激光输出提 出了