（物理电子学专业论文）皮秒亚皮秒锁模光纤激光器和超连续谱产生的研究.pdf

天津大学硕士学位论文 中文摘要 本研究围绕非线性光学领域中的超短脉冲光源以及s c 谱的产生。结合实验 室现有条件进行了如下工作： 1 非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的理论和实验研究 ( 1 ) 理论分析了非线性偏振旋转锁模原理和光纤环形激光器中锁模脉冲序 列的均匀性问题。 ( 2 ) 得到平均输出功率0 _ 3 1 3 r o w ，重复频率1 3 9 m h z 的自起振稳定的被动 锁模输出，中心波长1 5 6 2 3 r i m ，脉冲半极大全宽度( f w h l v l ) 1 5 p s 。利用孤子 压缩效应。将输出脉冲压缩到7 5 0 f s ，并观察到高阶孤子的分裂现象。 2 光纤中超连续( s c ) 谱产生的理论和实验研究 ( 1 ) 阐述了s c 的物理机制。光纤中s c 的产生是多种非线性效应和色散效 应综合作用的结果。 ( 2 ) 利用被动锁模光纤激光器做泵浦光，在4 2 8 k m 的色散平坦光纤( d f f ) ， 获得总宽度超过5 1 0 n m 的s c 谱和1 5 0 a m 范围内不平坦度小于o 2 5 d b 的超平坦 s c 谱，这是雷内所知最好的；同时用可调谐滤波器在此区段谱切片滤波，并得 到脉宽基本相同的近变换限超短脉冲。 ( 3 ) 结合在不同长度的d s f 和d f f 中产生s c 谱的实验结果分析泵浦脉冲 参数( 脉冲峰值功率、脉冲宽度、中心波长) 及光纤参数( 长度、非线性系数、 色散、损耗) 对s c 特性的影响。实验验证了在同样的泵浦条件下，d f f 相对于 色散位移( d s f ) 产生的s c 谱更宽，质量更好。 3 主被动锁模光纤激光器的理论和实验研究 ( 1 ) 研究了n o l m 、n a l m 和d i - - n o l m 的结构和透射特性以及它们在 光纤锁模激光器中的应用。 ( 2 ) 采用d i - n o l m 作为被动锁模元件构成8 字型主被动混合锁模光纤激 光器，实验获得1 0 g l - i z 。l i p s 脉冲序列输出，同时观察获得= 阶、三阶谐波锬 模。实验证明，d i - n o l m 作为被动锁模器件，可以有效的提高脉冲质量。 关键词：光纤激光器被动锁模非线性偏振旋转光纤环形镜主被动锁模 超短脉冲超连续光谱 天津大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t i nh i sd i s s e r t i o n ，u l t r a - s h o no p t i c a lp u l s eg e n e r a t i o na sw e l la ss u p e r c o n f i n u u m s o u r s ea l es t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y w h i c hi n c l u d e ： 1 。n o n l i n e a r p o l a r i z a t i o n r o t a t i o n p a s s i v e l y m o d e - l o c k e df i b e rl a s e r 1 ) t h ep h y s i c a l m e c h a n i s mo fn o n l i n e a r p o l a r i z a t i o n r o t a t i o n p a s s i v e l y m o d e l o c k e df i b e rl a s e ra n dt h eu n i f o r m i t yo f p u l s es e r i e si na l ll o o pf i b e r l a s e ra r es t u d i e d 2 ) s t a b l e ，s e l f - s t a r t i n g1 5 p sm o d e l o c k e dp u l s ea t 1 3 9 m h zr e p e t i t i o nr a t ei s o b t a i n e d , t h ea v e r a g eo u t p u tp o w e ri s0 313 m w ，t h ec e n t e ro ft h ew a v e l e n g t h i sl5 6 2 3 n m t h eo u t p o u r p u l s ei sc o m p r e s s e d t o7 5 0 f sa n dd i v i t e dh i g h - o r d e r s o l i t o nw a s0 b s e r v e d 2 s u p e r e o u t i n u u m ( s c ) p u l s e $ o l l r s e 1 ) t h et h e o r yo f s c g e n e r a t i o nw h i c h i sp r o d u c e db yn o n l i n e a ro f e c t sa n d g r o u p v e l o c 时d i s p e r s i o n ( g v d ) i sp r o p o s e d 2 1o v e r5 1 0 n mo f s cs p e c t r u ma t2 0 d ba n d1 5 0 r i ma t o 2 5 d bs u p e r = 1 i f o r m i t y s c s p c c t r u r na r eg e n e r a t e d f o rt h ef i r s tt i m e 3 1t h ei n f l u e n c e so fn o n l i n e a re f f e c t so ff i b e r , f i b e rp a r a m e t e r sa n dp u m p p u l s e p a r a m e t e r s o ns c s p e c t r u m a l es t u d i e dn u m e r i c a l l y 3 a c t i v e l y p a s s i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e r 1 ) s w i t h c h i n gc h a r a c t e r i s t i c so f n o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o r ( n o l m ) ，n o n l i n e a r o p t i c a la m p l i t i e rl o o pm i r r o r ( n a l m ) a n dd i s p e r s i o n - i r a b a l a n c en o l ma r c i n v e s t i g a t e dn u m r i c a l l y i nd e t a i l 2 1i l p ss t a b l e1 0 g h zm o d e l o c k e dp u l s et r a i na n d2 0 0 8 z , 3 0 g h zh a r m o m c m o d e l o c k ep u l s ew i t hu n i f o r ma m p l i t u d e 啦o b t a i n e dw i t ht h ef i g u r e - e i g h t s t r a c t r u ed 1 n o l m k e yw o r d s ：f i b e r l a s e r , p a s s i v em o d e - l o c k ，n o l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n ，f i b e r l o o pm i r r o r , a c t i v e - p a s s i v em o d e - l o c k ，u l t r a - s h o r to p t i c a lp u l s e ，s u p c r c o n t i n u u m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞蠢堂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了谢意。 学位论文作者签名：彳 j 一 签字日期：2 口。争年月，目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫垄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王弛 签字日期：加争年，月岁日 导师躲莹忙儿 签字日期：厶帕4 年1 月f 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光纤激光器 第一章绪论 随着2 1 世纪光纤通信系统的广泛应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、 光传感技术等各种领域应用的研究也受到日益重视。其中，以光纤作基质的光纤 激光器，在降低阑值、扩展振荡波长范围、提高波长可调谐性能以及实现窄脉冲 工作等方面，已取得明显进步，成为目前光通信领域的热门技术。 光纤激光器是在掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 技术基础上发展起来的。由于光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下内部极易形成高 功率密度，造成激光工作物质的激光能级粒子数反转。因此，适当加入正反馈回 路( 构成谐振腔) 便可形成激光振荡。1 9 6 1 年，美国光学公司的e s n i t z e r 等使 用芯径为3 0 0 m 的掺钕光纤制作出工作波长在1 0 6 0 r i m 的第一台光纤激光器i ”。经 过一段漫长的发展过程，直到上世纪8 0 年代，英国s o u t h h a m p t o n 大学的r j m e a r s 等用m c v d 法制成了低损耗的掺铒光纤【2 】，光纤激光器才有了长足发展的新 局面。下面，简要介绍光纤激光器基本结构、分类及其特点。 1 1 1 光纤激光器的结构和分类 工作物质( 增益光纤) 、，_ j 谐振腔 图i - 1 光纤激光嚣的结构示意图 光纤激光器的结构与固体激光器的结构基本相同。如图1 1 所示，它是f h 谐 振腔、增益介质( 即掺杂光纤) 、泵浦源及泵浦光耦合等四部分组成。事实上光 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 纤激光器就是一个波长转换器：泵浦波长的光子被增益介质吸收，形成粒子数反 转，从而产生受激发射并形成另一波长的激光振荡。 谐振腔从形式上可以分为两类：线形腔和环形腔。其中，由环形腔可派生出 盯腔和“8 ”字腔等。 根据输出脉冲方式不同，可以将光纤激光器分为连续激光器和脉冲激光器。 根据增益介质的不同，光纤激光器又可以分为以下几类p j ： ( 1 ) 稀土元素掺杂光纤激光器。如在基质中掺入n d 3 + 、e r 3 十、矾，、t m 3 + 等稀 土元素，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶等：( 2 ) 塑料光纤激光器。即 在纤芯、包层或二者同时加入激光染料作增益介质；( 3 ) q l ：线性光纤激光器。利 用光纤中的受激喇曼散射( s r s ) 或受激布里渊散射( s b s ) 非线性效应产生波 长可变换的激光；( 4 ) 光纤孤子激光器。它是一类比较特殊的激光器，光孤子由 色散与非线性效应共同作用形成的。光纤孤子激光器的实现有两条途径：利用掺 铒光纤激光器的锁模技术 利用光纤中的s r s 或s b s 。 光纤激光器的泵清源有半导体激光器( l d ) 、n d ：y a g 固体激光器等，由 于l d 有体积小，寿命长，功耗小，耦合效率高的优点，已被广泛采用。 相对于其他固体激光器和半导体激光器来说，光纤激光器具有独特的优势： ( 1 ) 耦合效率高，纤芯直径小，可方便地与光纤系统高效连接，构成的激光器具 有高转换效率、低激光域值、输出光束质量好和线宽窄等特点；( 2 ) 光纤具有很 高的“表面积，体积”比，散热效果好，只需要常温或风冷即可；( 3 ) 可在恶劣的环 境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下皆可正常运转；( 4 ) 光纤具有极好的柔绕性，外形紧凑体积小，易于系统集成，牲价比高：( 5 ) 具有 相当多的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围、很好的单色性和高稳定性。 1 1 2 光纤激光器的新进展 光纤激光器不仅能够产生连续激光输出。而且能够产生高速率p s - f s 超短光脉 冲，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，也是高码率密集没 分复用( d w d m ) 系统和光时分复用( o t d m ) 系统的优良光源之一，是激光 技术领域的研究前沿课题。 本节就近年来几种新型的光纤激光器技术加以阐述。 1 喇曼( r a m a n ) 光纤激光器 随着d w d m 通信技术的迅猛发展，e d f a 的有限带宽和集总放大导致的高噪声限 制了系统容量和传输距离的进一步发展，正是在这种情况下，光纤喇曼放大器 ( f r a ) 以其低噪声和仅由泵浦波长决定增益波段的特性引起人们的重视，并被 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 认为是在低损耗窗1 2 1 1 2 7 0 1 6 7 0 n m 波段最理想的光放大器【4 l ，成为新一代光纤通 信系统中的关键器件。 实现f r a 应用，关键是获得合适波长的高功率泵浦源。基于s r s 的喇曼光纤激 光器( f r l ) 是目前可实用化的泵浦源解决方案之一。f r l 一般采用布拉格光栅作 为谐振腔的反射镜，并根据输出需要，用布拉格光栅对组成可产生相应级次的几 级斯托克斯( s t o c k s ) 分量的谐振腔。其增益介质可以是掺稀土光纤，也可以是 一般的石英光纤【5 1 。 近年，激光器和光纤技术取得巨大的进步，为f r l 的发展创造了十分有利的 条件，关于f r l 新成果不断涌现。典型的如：a l c a t e l 公司在o f c 2 0 0 2 会议上报 道了一种可重构三波长喇曼光纤激光器 6 1 ，能用作c + l 波段的喇曼放大器的泵浦 源，结构示意如图卜2 所示。其基本的原理分为以下三步理解：首先，在1 1 1 7 n m 泵浦光的作用下，利用r 0 ；产生频移，得到1 3 1 2 n m 的一级s t o c k s 分量；然后在一 级s t o c k s 的作用下，利用石英光纤的频移，得到1 3 7 5 n m 的二级s t o c k s 分量；最后， 通过再次利用石英光纤的频移，同时得至u 1 4 2 7 o h m 、1 4 5 5 o h m 和1 4 8 0 o h m 的激光 输出。 掺p 光纤 图1 - 2 一种三波长拉曼光纤激光器结构示意图 2 可调谐掺铒光纤激光器 目前，e d f a 的增益波段已经从常规的c 波段( 1 5 3 0 一1 5 6 5 n m ) ，扩展到c + l 波 段( 1 5 3 0 1 6 1 0 h m ) ，这是提高光纤通信系统容量的有效的手段，而基于c + l 波段 的宽带可调谐掺铒光纡激光器以其具有较低的相干性和偏振敏感性和容易与光 纤系统接续的优点而成为d w d m 传输系统的理想光源近年来备受重视 7 - 9 。例如， 加拿大的的b e l l e m a r e 等人报道他们使用2 7 m 长普通掺铒光纤和峰值功率为 1 8 0 m w 、中心波长为9 8 0 n m 的泵浦l d ，在掺铒光纤深度饱和的工作条件下，通过努 力减小腔内损耗，实现环形腔激光器的可调谐带宽超过1 2 0 h m ( 1 5 0 0 1 6 2 0 n m ) ， 天津大学颈士学位论文第一章绪论 覆盖了整个c + l 波段【。0 l ，这样宽的可调谐范围基本满足当前光通信传输系统的 需要。另外，我国的南开大学董新永等人对此类可调谐环形腔光纤激光器也做了 深入的理论和实验研究，获得1 0 0 n m 的可调谐带宽输出】。 3 双包层泵浦光纤激光器 双包层光纤的出现是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光放大器和高功 率的光纤激光器的制作成为现实。自1 9 8 8 年e s n i t z e r 首次描述包层泵浦光纤激 光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成 为制作高功率光纤激光器首选途径【l 2 】。 包层泵浦技术特性决定了该类激光器有以下几方面的突出性能1 1 3 l ：( 1 ) 高功 率。使用多个多模泵浦l d 并行设置，可得到商达千瓦功率输出的光纤激光器：( 2 ) 无需冷却。大功率的宽面多模l d 可以在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成 本很低；( 3 ) 很宽的泵浦波长范围。包层光纤里掺杂了铒镱稀土元素，有一个宽 且又平坦的光波吸收区( 9 3 0 - 9 7 0 n m ) ，因此，泵浦l d 不需任何类型的波长稳定装 置：( 4 ) 效率高。泵浦光多次横穿过单模光纤纤芯，因此其利用率高；( 5 ) 高可靠 性。多模泵浦l d 比起单模泵浦l d 来其稳定性要高出很多，其可靠运转寿命超过1 0 0 万小时。 目前，实现包层泵浦光纤激光器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线 形腔双端泵浦、全光纤环形腔双包层光纤激光器三大类，其它不同特色的双包层 光纤激光器可由该三种基本类型拓展得到。2 0 0 2 ，h s s e o 等人报道采用如图卜3 所示的新型包层泵浦方式，实现了输出功率为3 8 w 、阈值为1 7 i i 、效率高达8 5 的光纤激光器 j 4 o 而在产品技术方面，i p gp h o t o n i c s 公司已于2 0 0 2 年7 月宣布推 , h , 2 0 0 0 w 的掺镣双包层光纤激光器1 1 5 】。 p a c k a g i n gp a n t ok e e p c o r es m ac a b l e 图l _ 3 一种新型双包层泵浦光纤激光器 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 锁模光纤激光器和超连续谱脉冲 随着i n t e r n e t 的飞速发展和人们对信息需求量的急剧增长，通信系统的容量 扩展到t b i 以甚至更高成为必然。在现有条件下，将w d 哪0 r r d m 技术结合起来，充 分利用已有石英光纤低损耗窗口是优先考虑的研究方向，而超短脉冲技术和超连 续( s c ) 光源的发展，为实现低成本的t b s 传输提供可能的解决方案。 1 2 1 锁模光纤激光器简介 锁模光纤激光器可以产生高质量、高重复频率、波长可调谐的光脉冲，加之 与传输光纤良好的兼容性，是比较理想的超短脉冲源。 锁模光纤激光器根据锁模方式可分为主动锁模光纤激光器，被动锁模光纤激 光器和主被动锁模光纤激光器。 1 主动锁模光纤激光器 主动锁模光纤激光器是在光纤激光器内插入主动式光调制器，当其调制频率 恰好等于( 或整数倍于) 激光器谐振腔频时，则激光器的该纵模有可能被锁定， 从而激光器以短脉冲形式输出。根据所调制的振幅还是频率，分别称之为a m 或 f m 锁模。一般的主动锁模掺铒光纤激光器的输出脉宽都在p s 或亚p s 量级，例如， 1 9 9 8 年s h e n p i n gl i 等人采用n a l m 作等效可饱和吸收体，利用谐波锁模技术，获 得了重复频率1 1 0 8 g h z ，脉宽7 1 p s 的近变换限脉冲【1 6 】。 2 被动锁模光纤激光器 被动锁模光纤激光器技术是一种典型的全光纤非线性技术，不用声光和电光 调制器之类的主动元件即可实现超短脉冲输出。其原理是利用光纤非线性对输入 脉冲的强度依赖性得到窄化脉冲。实现锁模的方法主要包括腔内插入半导体可 饱和吸收体、非线性光纤环形镜以及非线性偏振旋转效应作等效可饱和吸收体加 成脉冲锁模等( 1 7 】。 ( 1 ) 半导体可饱和吸收体 上世纪7 0 年代，可饱和吸收效应就已用于被动锁模，它是加成锁模技术出现 之前实现被动锁模的唯一方法。其锁模的基本思想是：当光脉冲通过这种吸收体 时，边缘部分损耗大予中央部分，结果光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化。 当偏置电流低于阚值时，半导体激光放大器( s o a ) 可用作可饱和吸收体， 通过简单的改变偏置电流， 就能实现在锁模和连续工作模式间切换的自启动被 动锁模。 ( 2 ) 非线性光纤环形镜 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 用非线性光纤环形镜作可饱和吸收体构成的全光纤被动锁模激光器，其形状 类似与“8 ”字形，e d f a 在环内不对称放置。其基本原理是：入射光波被3 d b 耦 合器分成幅值相等、传输方向相反的两个部分。并受到与强度相关的自相位调制 ( s p m ) 和交叉相位调制( x p m ) 等非线性效应的作用而产生非线性相移，而 e d f a 的不对称放置导致两部分光所获得的非线性相移量不同，当它们再次在耦 合器相遇进行相干叠加时，产生了自幅度调制的脉冲窄化效应，这种效应在功能 上类似于可饱和吸收体，称之为加成脉冲锁模( a p m ) 效应。合成脉冲的宽度 被压窄，如此周而复始，逐渐形成稳定的锁模运转。 根据在光纤环形镜( f l m ) 中获得不等光强的方法不同，非线性光纤环形镜 可以分成非线性光学环形镜( n o l m ) 、非线性放大环形科悖1 ( n a l m ) 和色散 非均衡环形镜 2 0 l ( d i n o l m ) 三种。 ( 3 ) 非线性偏振旋转( n p r ) 效应 非线性偏振旋转的基本原理是在两个偏振控制器之间加入偏振隔离器，通过 偏振隔离器之后的线偏光经过偏振控制器后变成椭圆偏振光，这个椭圆偏振光的 两个幅值不同的正交分量经过掺铒光纤得到增益放大，并受到腔内光纤的s p m 和 x p m 的作用产生大小不同的非线性相移，从而使偏振态发生变化。调节另一偏 振控制器使偏振隔离器能透过脉冲中央的高强度部分而阻挡吸收低强度边翼，这 就形成了等效的可饱和吸收体。从概念的角度讲，n p r 与非线性光纤环形镜锁模 原理基本相同( 加成锁模脉冲) ，只不过是同一脉冲的两个相互垂直的分量代替 了相向传输的两束光波。 3 主被动锁模光纤激光器 被动锁模光纤激光器脉冲重复率较低，但脉宽较窄；而主动锁模光纤激光器 虽然频率较高，但脉宽较宽。主被动锁模光纤激光器结合了二者的优点，可以产 生窄脉宽，高重复率且稳定的孤子序列。 1 2 2 光纤中产生的超连续谱 光纤中产生的超连续( s u p e r c o n t i n u u m ，s c ) 谱其特征是脉冲谱宽很宽，从 几十纳米到几百纳米甚至上千纳米，故也称白光脉冲。利用对s c 谱进行谱切片 的方法，从中提取出任意线宽的多个中心波长短脉冲，是具有大均匀带宽、精确 波长间隔、高相干性、高功率谱密度、多波长、高稳定的工具性光源，被广泛应 用于光通信、光学相于层析、光计量学、激光光谱学等领域彩j 。 s c 谱的产生主要有以下两种方法：一是压缩超短光脉冲所得到的宽频谱； 二是利用器件的非线性来展宽脉冲的频谱。现在，最为有效的也是报道最多的就 是利用光纤或光放大器的非线性产生s c 谱，其中利用光纤产生宽连续谱最为经 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 济实用。 当一束强度极高的超短光脉冲通过非线性光学材料后就会产生s c 谱，这种 现象最早在块状固体非线性材料中观察到，随后在液体、气体中也发现了类似的 现象。其谱展宽机理来自光脉冲在非线性光学介质中的自聚焦、自相位调制 ( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、受激喇曼散射( s r s ) 和四波混频( f w m ) 等非线性效应的共同作用【2 4 1 。 目前，利用各种非线性光纤介质产生s c 谱的实验报道层出不穷。 e c o c 2 0 0 1 ，h s o t o b a y a s h i 等人报道利用载波压缩的归零脉冲信号直接泵浦s c 光纤产生的s c 谱，完成了3 2 4t b s ( s tw d m x 4 0g b ，s ) 的传输实验【2 埘。0 f c 2 0 0 3 ， k a b e d i n 等人报道采用主动锁模光纤激光器泵浦色散平坦光纤( d f f ) ，在 1 4 6 0 1 6 8 0 n m 范围内产生频率高达1 5 4 g h z 的s c 谱光源【2 酊。 1 3 课题来源和本文研究内容 本论文是结合国家自然科学基金项目以及天津市科技发展计划项目的部分 内容做了一些应用基础性的研究。围绕非线性光学领域中的超短脉冲光源以及 s c 谱的产生，结合实验室现有条件进行了如下工作： 1 非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的理论和实验研究 ( 1 ) 分析了非线性偏振旋转锁模原理和光纤环形激光器中锁模脉冲序列的 均匀性问题，指出起偏器角度口和双折射强度k 是影响锁模脉冲序列均匀性的重 要因素。 ( 2 ) 利用非线性偏振旋转效应进行被动锁模激光器实验研究。得到平均输 出功率o 3 1 3 r o w ，重复频率1 3 9 m h z 的自起振稳定的被动锁模输出，中心波长 1 5 6 2 3 m n ，脉冲半极大全宽度( f w h m ) 1 5 p s 。利用孤子压缩效应，将输出脉 冲压缩到7 5 0 f s ，并观察到商阶孤子的分裂现象。 2 光纤中超连续( s c ) 谱产生的理论和实验研究 ( 1 ) 阐述了s c 的物理机制。光纤中s c 的产生是多种非线性效应和色散效 应综合作用的结果，其中s p m 和二阶群速度色敝起主要作用，三阶色散( t o d ) 影响s c 的展宽方向和平坦度。 ( 2 ) 利用被动锁模光纤激光器做泵浦光，注入4 2 8 k i n 的色散平坦光纤d f f 进行了s c 实验研究。获得总宽度超过5 1 0 n r a 的s c 谱和1 5 0 r a n 范围内不平坦度 小于+ 0 2 5 d b 的超平坦s c 谱，这是国内所知最好的；同时用可调谐滤波器在此 区段谱切片滤波，并得到脉宽基本相同的近变换限超短脉冲。 ( 3 ) 结合在不同长度的d s f 和d f f 中产生s c 谱的实验结果分析泵浦脉冲 参数( 脉冲峰值功率、脉冲宽度、中心波长) 及光纤参数( 长度、非线性系数、 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 色散，损耗) 对s c 特性的影响。实验证明，在同样的泵浦条件下d f f 相对于 色散位移( d s f ) 产生的s c 谱更宽，质量更好。 3 主被动锁模光纤激光器的理论和实验研究 ( 1 ) 研究了n o l m 、n a l m 和d i - - n o l m 的结构和透射特性以及它们在 光纤锁模激光器中的应用。 ( 2 ) 采用d i - n o l m 作为脉冲强度限制元件构成8 字型主被动混合锁模光 纤激光器，实验获得9 9 9 8 7 4 8 7 0 0 g h z ，i l p s 脉冲序列输出，同时观察获得二阶、 三阶有理数谐波锁模。实验证明，d i - n o l m 作为被动锁模器件，可以有效的提 高脉冲质量。 天津大学硕士学位论文第二章非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的研究 第二章非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的研究 被动锁模光纤激光器以其高稳定性、窄脉冲著称，是非线性光学研究领域的 重要工具。特另| j 是e d f a 发明以来光纤通信波段的窄脉冲光源又在信息光电子、 光通信领域具有重要的应用价值。 1 9 9 2 年，vj m a t s a s 首次提出非线性偏振旋转( n p r ) 被动锁模光纤激光 器可以产生飞秒量级的输出脉冲1 1 1 。此后，利用偏振耦合效应工作的被动锁模光 纤激光器已被证明是迄今为止一种最简便廉价而又行之有效的超短脉冲光源，再 加以其可调谐特性，近年来备受重视【2 4 】。2 0 0 2 年，k s a b e d i n 报道了通过调节 各段光纤的长度，使腔内的平均色散在正负之间交化，得到重复频率2 2 0 i m l z ，脉 宽1 2 5 f s 的谐波被动锁模输出【5 1 2 0 0 3 年，h l i m 等报道了重复频率4 6 m h z ，5 2 f s 被动锁模掺镱光纤激光器【6 】，是目前利用这种方法得到的最窄脉冲。在国内，只 有西安光机所报道了成功产生重复率为2 1 3 7 m h z ，脉宽2 6 9 f i 的稳定被动锁模 光脉冲1 7 1 。 本章从非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的原理出发，建立了偏振旋转环 形锁模激光器简化数学模型，并依据此模型详细分析了各种参数对脉冲均匀性的 影响。同时，报道了我们实验获得脉宽1 5 p s ，谱宽1 2 4 n m ，重复率1 3 9 m h z 的稳定被动锁模脉冲输出。并利用5 0 m 普通单模光纤产生高阶孤子压缩，将锁模 激光器的输出脉冲压缩到7 5 0 矗。 2 1 锁模的物理机制 模式锁定要求增益带宽内的多纵模同时运转并且其相位间有一致关系。模式 的频率间隔由下式决定【| 1 ： p = k( 2 - 1 ) 式中。t 是腔内往返一次的光学长度。多纵模运转是由与纵模间隔( a v 1 0 m h z ) 相比很宽的增益谱决定的。总光场可由下式表示： m ( ，) = e x 曲屯- i r a ，t ) ( 2 2 ) 式中玩，丸和翻_ 分别是m 阶模的场振幅，相位和频率。整数m 表示纵模阶 数，模式总数为2 m + 1 个。如果所有模式都独立运转，其相位问没有确定关系， 9 天津大学硕士学位论文第二章非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的研究 则总强度i e ( f ) | 中的干扰项消失，没有时间依赖性。这就是多模连续激光器的工 作情况。锁模出现的条件是：各纵摸相位同步，任意相邻纵摸的相位差固定为一 常数值d ，即 丸一九，= 矿( 2 - 3 ) 注意到丸= m 妒+ 死是( 2 - 3 ) 式的一个解。模式频率可写作 0 9 ，：脚。+ 2 m 砸v 。将以上关系代入( 2 2 ) 式，并为简单起见假设所有模式都有相 同振幅e 0 。光强i e ( f ) | 可以解析求出并由下式表示 8 1 ： ( 2 4 ) 该关系是一个周期函数，周期t = 1 l a y 恰好是光在腔内往返一次所需对闽， 因而激光器的输出脉冲序列的脉冲间隔是2 r 。) a ( 2 - 4 ) 可得出脉冲宽度 o = ( 2 + 1 ) a v 。而( 2 m + 1 ) 个纵模的总谱宽为( 2 m + 1 ) v ，可见脉 冲宽度反比于增益谱宽k n 2 2 非线性偏振旋转锁模的基本原理 非线性偏振旋转被动锁模掺铒光纤环形腔激光器的实验装置如图2 1 所示， 图2 - 1 非线性倔振旋转掺铒光纤环形腔激光罂的原理图 它由隔离器o s o ) 、起偏器( p c o ) 、两个光纤偏振控制器( p c i 、p c 2 ) 、9 8 0 a n d l 5 5 0 n m 波分复用器( w d m ) 、高掺杂浓度掺铒光纤和输出耦合器( c o u p l e r ) 构成。 其锁模过程可理解如下：经过起偏器之后的线偏光经过偏振控制器p c i 后 变成椭圆偏振光，这个椭圆倔振光可以被认为是强度不等的左旋与右旋圆偏振光 的合成，也可以看作是快轴和慢轴方向上的线偏光的合成。当这两个旋转方向不 1 0 天津大学硬士学位论文第- 二章非线性倔振旋转被动镇模光纤激光器的研究 同的圆偏振光经过掺铒光纤得到增益放大时经历腔内光纤的非线性效应产生不 同的非线性相移，由于非线性相移与光强有关，因而沿脉冲不同部位的偏振态不 同。最后两圆偏光在起偏器处( 图中的p c 0 i s o ) 产生相干叠加效应，也就是加 成脉冲锁模( a p m ) 效应后，使得腔内产生自幅度调制可饱和吸收体，即锁模 窄化效应。偏振控制器p c 2 主要用于调整经历不同非线性相移干涉叠加后光脉 冲的主偏振方向与偏振器方向一致，以使光脉冲较低强度的前后沿越来越弱，光 脉冲峰值越来越强，最后形成稳定的超短光脉冲。隔离器起单向器作用来阻止腔 内器件带来的后向散射，而这种后向散射在标准的激光腔内是不可避免的，它将 造成谐振腔内模式谱的不均匀而阻止自起振。因此隔离器可以使得该激光器实现 自起振。 从概念的角度讲，它与非线性光纤环形镜相同( 加成锁模脉冲) ，只不过是 同一脉冲的两个相互垂直的分量代替了相向传输的两束光波。从实用的角度讲， 这种被动锁模方法可以在一个光纤环内实现，结构简单。 2 3 非线性偏振旋转锁模脉冲均匀性的理论分析 经典的锁模动力学方程虽然描述了均衡的脉冲形成过程，但没有包括在光纤 环内脉冲传输的偏振特性。在实际应用中，环境稳定是一个重要的因素，温度和 应力变化导致的双折射波动常常会对锁模造成影响，这可以利用双折射光纤加以 改善。 本节，我们从考虑了双折射光纤中偏振动态特性的耦合非线性薛定谔方程组 ( c n l s ) 出发，用简化c n l s 建立的常微分非线性耦合模方程组( o d e s ) 来描 述环形锁模激光器中的脉冲动力学，经过数值模拟和分析，说明锁模脉冲序列的 振幅波动受光纤快轴与起偏器的夹角0 ，以及光纤双折射强度足的影响很大，得 出它们决定脉冲序列的均匀性的结论。 2 3 1 锁模动力学数学模型的建立 1 双折射光纤中的脉冲传输方程 光纾中的电场慢变包络受到群速度色散k e r r 非线性效应和光纤双折射( 由 足来衡量) 因索的影响，可以用联立的非线性薛定谔方程组来表示( c n l s ) 【9 】【l0 】： 。虿o u + 互10 a f u 。k u + ( j u j 2 + 一) u + b v z u = 。 ( 2 5 a ) ，嚣+ 圭两o v 2 珊州川2 州肌删儿。 ( 2 5 b ) 天津大学硕士学位论文第二章非线性偏振旋转被动锁模光纾激光器的研究 其中，u 和v 分别表示归一化电场的相互正交的偏振分量。l u l 2 ( ，和i v l 2v 为自相位调制项( s p m ) ，i v l 2u 和l u l 2v 为交叉相位调制项( x p m ) ，矿2 u 和 u 2 v 为四波混频项( f w m ) ；一和b 是非线性耦合参量，根据轴对称性，二者 应满足一+ 曰= l ，对于我们要讨论的线性双折射光纤来说，a = 2 3 ，b = 1 3 ： 如果考虑高双折射光纤，由于方程组的最后项经常改变符号，其平均贡献为零， 所以f w m 项可以忽略，而对于低双折射光纤，则必须将f w m 包括进去； f = t t o ，为归一化的时间变量，其中瓦是初始脉冲的半宽度( 光强度峰值1 ，e 处) ，f = l d ：为归一化的长度变量，其中= ( 2 z c ) x ( 瓦) 2 ( a 0 2 丘) 是色散 长度，后是腔内平均色散，九= 1 5 5 , u r n 是真空波长，c 是光速；x 是无量纲的双 折射强度参量，它决定了口和v 之间的相对相位差，k = 万( 吃一疗，) 三d 厶，其中 的苊。和月。分别是正交偏振分量的有效折射率。 由文献 1 1 】可知，锁模脉冲的基态解的形式可以近似由振辐涨落因子r ，偏 振角j p ( 脉冲的偏振方向与光纤侠轴的夹角) 。相位差妒( u 和v 方向的相对相 位差) ，总相位差以及啁啾c 来如下描述【l l 】： u = 切s e e h ( r , - ) c o s p e x p ( 一妒2 + i c t 2 + 矽，2 ) ( 2 - 6 a ) v = j ，7 s e c h ( r r ) s i n p e x p ( + i 2 + i c r 2 + f 2 ) ( 2 - 6 b ) 这里，是脉冲的初始光强。假设参量叩( f ) ，p ( f ) ，p ( f ) 和c ( f ) 都是单独 依赖于掌的，利用哈密顿微扰方法( h a m i l t o n i a n ) 和重新定义的拉格朗日函数 ( l a g r a n g i a n ) 的性质，可以将c n l s 改写得到如下常微分方程组( o d e s ) 1 1 2 - 1 4 1 ，： d p 二= ( 1 3 ) b l r l s i n ( 2 p ) s i n ( 2 v ) ， ( 2 7 a ) 等= ( - 4 3 ) b i 忡s ( 2 啪2 ( 咖2 k ， ( 2 ，7 b ) 妾：_ 2 劬， ( 2 7 c ) 口亡 芝- 竺善= 叩4 一万2 c 2 一切3 【1 一b s i n 2 ( 2 p ) s i n 2 ( ) 】， ( 2 7 d ) 二“5 其简要推导过程是：c n l s 分别乘以u ( ) 和j ：兰( j 宅兰) 。然后在负无 穷到正无穷范围内对f 积分，导出二对复方程，方程酌磕部搞蘧能量和动量的演 化，实部给出相位和群移的演化，最后将( 2 6 ) 代入所得的复方程中，就得到 四个手有关参量的o d e s ( 2 7 ) 。研究结果表明，在连续谱噪声以及腔长的不稳 定性都可以忽略的前提下，由方程组( 2 5 ) 所描述的脉冲演化和方程组( 2 7 ) 天津大学硕士学位论文第二章非线性偏振旋转趟鳓堪堂堑堂堂壁塑堕塞 描述的脉冲演化非常相近f t 3 ，所以，完全可以用后者来近似前者。这是光纤激 光器数学模型中非常重要的简化，我们只需将重心放在数值模拟方程组( 2 - 7 ) 上。 2 周期性被动偏振控制 描述锁模的动力学有两个关键因素：一是由交叉相位调制所引起的非线性偏 振旋转；二是由被动起偏器所产生的偏振控制。 图2 - 2 给出了光脉冲在经过起偏器前后偏振态的变化情况。其中，口是起偏 器的偏振方向与光纤快轴的夹角，称之为起偏角。只和只分别表示起偏器作用 之前和之后的偏振光振动方向的与光纤快轴的夹角，称之为偏振角，三者有如下 关系： 只= t a n 。k t a n ( 只一) 】+ 0 ， ( 2 8 ) 袭减系数口= o 0 1 。从中可知，经过起偏器后的光脉冲偏振角尸几乎和0 相 等。 图2 - 2 起偏角0 和脉冲信振角 p 光脉冲在环形腔内行进周可以分为两个阶段。首先，初始脉冲经过起偏器 器p c o ，那些场强方向与0 不平行的光成份被衰减，导致脉冲偏振态的净旋转和 脉冲幅度的减小；然后，经过有泵浦源的掺铒光纤后，光脉冲重新被放大，这样， 起偏( 包括衰减) ，放大，不断循环。图2 3 形象的给出了锁模脉冲在光纤环形 腔中行进一周的偏振态旋转的示意图。其中，p c i 和p c 2 对偏振方向起调节作 用，可以等效为一段或长或短的双折射光纤。为了简化模拟的步骤，假设：a 、 初始时就有能量存储在环形腔中并且只有偏振态的变化；b 、循环一周光脉冲的 损耗很小。在此假设下，可将起偏和放大看作腔内每循环一周发生一次的瞬态微 扰。 天津大学硕士学位论文第二章非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的研究 方程组( 2 7 ) 描述了脉冲在光纤中的传输特性，而等式( 2 8 ) 引入了起偏 器的影响。二者结合起来，就是我们要建立的锁模动力学模型，它们完整的描述 了光脉冲在整个环形腔内的状态。 l t _l - 7 j j7。 t ： ji? ； _ j 。j7 | i ， 、一，j j j j 7 7 图2 - 3 锁模脉冲在光纤环形腔中行进一周的偏振态旋转的示意图( 箭头的不同方向 表示不同的偏振方向；长短表示脉冲幅度) 2 3 2 产生均匀锁模脉冲序列的条件 理想的均匀脉冲是幅值均衡，啁啾接近为零的脉冲序列，对于方程组( 2 7 ) 来说，要求，7 ( f ) = 常量，c ( 宇) * 0 这只有在描述振辐和啁啾( j 7 ，c ) 的方程组 ( 2 - 7 c ，2 - 7 d ) 与描述偏振和相位( 尸，妒) 的方程组( 2 7 a ，2 , 7 b ) 去耦合的时候才 能实现，此时须满足【5 】【l 6 】： f ( p ，y ) = s i n 2 【2 p ( f ) s i n 2 【( 列= 常量 ( 2 9 ) 由等式( 2 - 9 ) 知，令偏振角p = 0 或者p = 石，2 时，可以使得f ( p ，妒) = 0 ， 无论相位差l l c ，如何变化，都能在理论上得到均匀的锁模脉冲序列。我们可以通过 调节偏振控制器来改交光纤快轴与起偏器的角度，即口，进而得到需要的偏振角 p 。当e = o 或口= 石2 时，由( 2 8 ) 知道，经过起偏器后的尸m o ，因此 s i n 2 2 p * s i n 2 2 8 = 0 ，满足了f ( p ，j f ，) 是常量的条件。当然，令妒* 0 或“石，2 也可以得到均匀的脉冲序列，此时对应的是相位锁定状态，但具体实践中要用到 相位敏感放大器，实现起来相对困难得多 2 s 1 1 2 9 1 。所以，我们将着重对偏振态锁 定状态，即偏振角为p = 0 或p = 石2 的脉冲演化进行数值模拟和分析。 2 3 3 偏振态锁定解的数值模拟和分析 由方程组( 2 - 7 ) ，我们数值模拟了有起偏器和无起偏器作用两种状态下， p “e = o 附近时，脉冲在光纤环形谐振腔内循环4 0 0 次的振辐涨落因子玎，偏振 1 4 天津大学硕士学位论文第二章非线性谊振旋转被动锁模光纤激光器的研究 角p ，相对相位差，以及啁啾c 的演化情况，如图2 - 4 所示。 有起位器作用的膝冲图形无起偏器作用的膝冲目孵 图2 4 在p = 0 ，k = o 1 下的脉冲参致