（物理电子学专业论文）偏振旋转环形腔掺铒光纤激光器特性研究.pdf

太原理工大学硕：i 二研究生学位论文 偏振旋转环形腔掺铒光纤激光器特性研究 摘要 超短脉冲光纤激光器在非线性光学、超快光学等领域，尤其在光时 分复用系统及光波分复用系统o t d m w d m 中有着广泛的应用。非线 性偏振旋转锁模技术由于具有结构简单、可靠性高、可自启动等特点而 成为光纤激光器产生超短脉冲的首选方案。另外，通过偏振旋转，光纤 激光器可以实现波长可调谐输出，从而具有巨大的应用潜力。本论文主 要围绕偏振旋转环形腔光纤激光器，进行了如下工作： 1 、对锁模光纤激光器及可调谐光纤激光器的研究现状以及发展趋 势进行了全面的回顾和综述。总结了光纤激光器的各种锁模技术，对比 分析了各种锁模技术的优缺点。 2 、利用时域锁模方程对非线性偏振旋转锁模进行了理论分析，研 究了腔体结构参数与锁模脉冲宽度、啁啾、相移以及稳定性等参量之间 的变化关系；分析了非线性偏振旋转被动锁模自启动过程及其与激光器 参数之间的关系。 3 、采用增益平坦型掺铒光纤放大器组成的锁模光纤激光器进行实 验。利用非线性偏振旋转加成锁模技术，获得自启动、稳定的、中心波 长1 5 6 0 n m 、重复频率6 4 9 5 m h z 、单脉冲能量达o 7 n j 、脉冲宽度1 5 p s 的锁模脉冲。同时实验得到峰值波长为1 5 5 7 n m 和1 5 7 0 n m 的双峰值波 长锁模脉冲。并选用较高耦合比的输出光纤耦合器实现了单脉冲能量高 达1 8 n j 、脉冲宽度为1 1 p s 的超短光脉冲。实验研究了输出耦合器耦合 i 太原理1 二大学硕：| ：研究生学位论文 比大小及位置对光纤激光器输出的影响。 4 、利用光纤偏振控制器和偏振相关光隔离器作为波长调谐器件， 实现了光纤激光器在中心波长在1 5 4 2 n m 1 5 6 4 n m 连续可调、平均功率 大于2 6 m w 、边模抑制比大于3 5 d b 的连续激光输出。同时获得了波长 为1 5 4 3 n m 和1 5 6 2 n m 的双波长连续激光输出。并利用琼斯矩阵分析了 该光纤激光器实现可调谐输出及双波长产生的机理。实验研究了输出耦 合器耦合比、抽运功率对调谐范围、线宽、边模抑制比等的影响。 关键词：掺铒光纤激光器，超短脉冲，被动锁模，波长调谐，非线性 偏振旋转 太原理工大学硕：l 研究生学位论文 r e s e a r c ho fp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n e r b i u m d o p e df i b e rr i n gl a s e r a b s t r a c t u l t r a - s h o r t p u l s e f i b e rl a s e r sh a v eb e e ns h o w n g r e a tp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n i nn o n l i n e a r o p t i c s a n du l t r a f a s t o p t i c s ，e s p e c i a l l y i n o t d m w d m s y s t e m s n o n l i n e a r p o l a r i z a t i o n e v o l u t i o n ( n p e ) m o d e - l o c k i n gt e c h n i q u ei s o n eo ft h eb e s tc h o i c e sf o rf i b e rl a s e r st o g e n e r a t eu l t r a s h o r tp u l s e s ，w i t han u m b e ro fa d v a n t a g e si n c l u d i n gc o m p a c t a n ds i m p l es t r u c t u r e ，s e l f - s t a r t i n g ，h i g hs t a b i l i t y , a n ds oo n i tc o u l db e w i d e l yu s e di no t h e ra r e a ，d u et o i t sw a v e l e n g t ht u n a b i l i t y w i t ht h i s i n m i n d ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do np o l a r i z a t i o nr o t a t i o ne r b i u m d o p e d f i b e rr i n gl a s e rw h i c hi n c l u d e s ： 1 t h er e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n to ft h em o d e l o c k i n gf i b e rl a s e r a n dt u n a b l ef i b e rl a s e ri sr e v i e w e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea d v a n t a g e so f d i f f e r e n tm o d e l o c k i n gt e c h n i q u e sh a v eb e e na n a l y z e d 2 f r o mt h et i m e d o m a i nm o d e - l o c k i n gm a s t e re q u a t i o n ，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 rp o l a r i z a t i o ne v o l u t i o nm o d e l o c k i n gi sa n a l y z e di n t h e o r y , a n dt h ee f f e c to fc a v i t yl o s s e s ，d i s p e r s i o n ，s e l fp h a s em o d u l a t i o na n d t h es a t u r a b l ea b s o r b e rh a v eb e e nd i s c u s s e d w i t ht h en o n l i n e a rs c h r o d i n g e r e q u a t i o n s ，t h es e l f - s t a r t i n ga n ds t a b i l i t yo fm o d e l o c k i n gf i b e r l a s e rh a v e b e e na n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo fc a v i t yp a r a m e t e r so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s e l f - s t a r t i n gi si n v e s t i g a t e d i l i 太原理t 火学硕 ：研究生学位论文 3 b a s e do np o l a r i z a t i o na d d i t i v ep u l s em o d e l o c k i n gt e c h n i q u e ，a s e l f - s t a r t i n gm o d e l o c k i n go ft h ef i b e rl a s e rh a sb e e nd e m o n s t r a t e dw i t ha g a i n - f l a t t e n e de r b i u m - - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r , t w o f i b e r p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r sa n dap o l a r i z a t i o nd e p e n d e n ti s o l a t o r t h es t a b l eo p t i c a lp u l s e t r a i n sa t15 6 0 n mc e n t e rw a v e l e n g t ha n d6 4 9 5 m h zr e p e t i t i o nr a t ew a s g e n e r a t e d ，w i t h1 5 p sp u l s ew i d t ha n do 7 n jp u l s ee n e r g y t h ep u l s e sw i t h 1 8 n je n e r g ya n d 1 1 p sw i d t ha r eo b t a i n e dw i t ha2 0 o u t p u tc o u p l e r m o d e l o c k e dp u l s e sw i t hd u a lp e a k - w a v e l e n g t h sa t15 5 7 n ma n d15 7 0 n m w e r ea l s oo b s e r v e d t h ei n f l u e n c eo fc o u p l e rr a t i oa n dp o s i t i o no nt h e c h a r a c t e r i s t i c so f s e l f - s t a r t i n gi se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d 4 a ne r b i u m d o p e df i b e rr i n gl a s e rw h o s ee m i s s i o nc e n t e rw a v e l e n g t h c a nb e t u n e df r o m15 4 2 n mt o15 6 4 n mc o n t i n u o u s l yi se x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e da n d a n a l y t i c a l l y s t u d i e d t h i sf i b e r l a s e rc o n s i s t so fa n e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r , ap o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e ra n dap o l a r i z a t i o n d e p e n d e n ti s o l a t o r t h es p e c t r al i n e w i d t ho ft h ec e n t e rw a v e l e n g t hw a s a p p r o x i m a t e l yo 5 n m 。a n dt h es i d e m o d es u p p r e s s i o nr a t i ow a sa b o v e35 d b a n dt h e a v e r a g eo u t p u tp o w e rw a s o v e r2 5 m w d u a l w a v e l e n g t h s o p e r a t i o na t15 4 3 n ma n d15 6 2 n mo ft h ef i b e rl a s e rw a sa l s oo b t a i n e d t h e t u n a b i l i t ya n dd u a l w a v e l e n g t ho p e r a t i o no ft h ef i b e rl a s e rw e r ea n a l y z e d w i t hj o n e sm a t r i x t h ei n f l u e n c eo fc o u p l e rr a t i oa n dp u m pp o w e ro nt h e c h a r a c t e r i s t i c so f t u n a b l ef i b e rl a s e ri se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ： e r b i u m - d o p e d f i b e rl a s e r , u l t r a - s h o r t p u l s e s ，p a s s i v e m o d e l o c k i n g ，t u n a b l el a s e r s ，n o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o n 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 盘盏噬 e ti 辈i ： 谚6 s - j 阳 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：塑盏茧： e ti 蓼i ： 硼6 、f 导师签名：剐： e ti 孽i ： 。e 。j 二边 太原理工大学硕： ：研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究目的及现实意义 现代通信技术的发展已经使社会和经济在全球范围内发生了彻底的变化。这在 很大程度上归功于以光纤为基础的光通信能力的大幅度提高。然而，目前由于多 媒体技术、计算机网络和接入网技术的快速发展，使数据通信业务呈爆炸性增长， 人们对带宽的需求越来越高，这就决定了光传输系统向超高速、大容量和长的中继 距离的方向发展。目前扩大光纤通信系统传输容量的有效途径是采用复用技术，特 别是光时分复用( o t d m ) 、密集波分复用技术( d w d m ) 以及二者之间的有机结 合。超短光脉冲的产生技术是光时分复用技术的关键技术之一。光时分复用技术对 超短脉冲的要求是能产生满足基本孤予能量、频谱等要求的超短光脉冲，在光纤中 传输时自动压缩、整形而形成光孤了。 能满足这些条件的光源主要有锁模光纤激光器，半导体激光器加电调制器，增 益开关半导体激光器【“。而锁模光纤激光器以其结构紧凑、体积小、工作稳定可靠、 输出波长稳定等特点，一直被认为是超快技术实用化的最佳选择口l 。由于它利用的 是群速色散( g v d ) 和自相位调制( s p m ) 作用，产生的光脉冲几乎没有啁啾，或 啁啾较小，不需要进行消啁啾或脉冲压缩，就能直接产生p s 乃至f s 级的近变换极 限的超短光脉冲，是一种很有前途的o t d m 光源。 锁模光纤激光器产生的超短脉冲不仅可以作为未来光纤通信系统的理想光源， 它在超快光学技术、超快电子学技术、超快生物学技术、超快光谱学技术、光传感、 探测诊断、非线性光学等众多领域都有着重要的应用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 慕于非线性偏振旋转效应的被动锁模光纤激光器具有结构简单、可自肩动、抽 运阈值低、工作稳定、输出脉宽窄等特点，并且可以有效产生p s 乃至f s 的超短光脉 冲。1 9 9 2 年由m a t s a sv j 首次提出后【4 】，得到国内外学者们的广泛重视。利用非线 性偏振旋转技术的锁模光纤激光器，不仅在通信器件的制造应用中有着非常广阔的 前景，而且也是进行超高速光纤通信和光孤了通信研究中不可缺少的超快光源之一； 而利用偏振旋转还可以实现波长可调谐连续输出，从而在光纤传感、光谱分析、材 料加工及光波分复用系统中也有着广阔的应用前景。开展这一方面的研究不仅有着 非常重要的学术意义，尤其有着巨大的应用前景。 本文研究设计了采用增益平坦型掺铒光纤组成的锁模光纤激光器，使其输出的 单脉冲能量达到了n j 量级，具有重要的实用价值。同时提出一种结构简单波长可调 谐掺铒光纤激光器，采用偏振旋转实王见了掺铒光纤激光器的可调谐及双波长输出。 1 2 锁模光纤激光器 光纤激光器是指应用以光纤为基质掺入某些活性粒了作为工作物质或利用光纤 本身的非线性效应制成的一类激光器。它是在光纤放大器的基础上发展起来的，有 着其它激光器所无法比拟的优点：1 ) 耦合效率高，由于光纤既是激光介质又是光的 导波介质：2 ) 散热快，不需要冷却装置，光纤的几何形状具有大的表面积，体积比； 3 ) 体积小，结构简单，工作物质为柔性介质，可设计得相当小巧灵活，使用方便； 4 ) 光纤激光器可以在很宽的光谱范围内( 4 5 5 n m 3 5 0 0 n m ) 设计运行，容易实现 可调谐；5 ) 容易实现单模，单频运转和超短脉冲输出；6 ) 光纤激光器基于的硅光 纤工艺非常成熟，原料常见，成本较低。 光纤激光器最早在1 9 6 1 年被研制出来，由于当时条件的限制，进展十分缓慢。 直到上个世纪八十年代，光纤激光器才取得了长足的进展【”。从此以后，光纤激光 2 太原理丁大学硕l ：研究生学位论文 器的研究受到了世界各国的普遍重视，目前成为国际激光器技术研究领域一个十分 活跃的前沿研究方向。 i 2 i 国内外研究状况 光纤激光器产生短脉冲的技术主要有调q 技术和锁模技术，调q 技术产生的光脉 冲脉宽相当宽( n s 量级) 1 5 1 。要想产生皮秒乃至飞秒量级的超短光脉冲，则需要借 助于锁模技术。锁模技术最早产生于上个世纪6 0 年代初期，到8 0 年代末期，就已经 出现了利用掺稀土元素的光纤和普通光纤进行锁模光纤激光器的研究。由于锁模光 纤激光器在通信领域潜在的应用价值，引起人们的广泛关注。1 9 8 9 年，j d k a f k a 利用电光调制器作为锁模器件，获得中心波长1 5 3 u m ，脉宽4 p s 的超短光脉冲【6 j 。进 入9 0 年代后，光纤激光器及锁模光纤激光器得到了飞速发展，人们对锁模光纤激光 器进行了大量的理论和实验研究【7 i 。1 9 9 1 年，8 字型腔非线性光纤环形镜被动 锁模技术被提出来【9 】：1 9 9 2 年，v j m a t s a s 等人提出非线性偏振旋转锁模技术： 接着，有理数谐波锁模、注入锁模等一系列新的锁模技术被提出来，出现了多波长、 可调谐锁模光纤激光器1 。锁模脉冲重复频率不断被提高，目前已有2 0 0 g h z 的锁模 光纤激光器；锁模脉冲的宽度也越来越短，单脉冲能量越来越高，a x e lr u e h l 等 人利用展宽脉冲技术得到了脉宽6 4 f s 、6 2 n j 的超短光脉冲【1 3 】。 国内对光纤激光器的研究始于上世纪8 0 年代末，西安光机所、上海光机所、电 子科技大学、清华大学、天津大学、南开大学、华中科技大学、南京邮电大学、东 南大学、深圳大学、中国科学技术大学、中国工程物理研究院、西安交通大学、北 京邮电大学、太原理工大学等高等院校以及邮电部和电子部所属的一些研究单位， 对光纤激光器以及相关器件展开了一系列的理论和实验研究，并取得了一定的进展 1 4 - 1 6 。在锁模光纤激光器领域，1 9 9 5 年到1 9 9 7 年，华中科技大学黄德修等人【1 7 1 ；东 3 太原理t 大学硕：l 研究生学位论文 南大学杨祥林等人对有关锁模激光器进行了理论分析：1 9 9 8 年，清华大学商以智 等利用非线性偏振旋转效应提高丰动锁模光纤激光器的稳定性【1 9 1 ；1 9 9 9 q 到2 0 0 1 年 期间，西安光机所王贤华、陈国夫等人报道了自启动波动掺铒锁模光纤激光器，获 得了重复频率2 1 3 7 m h z 、脉宽2 6 9 f s 的光脉冲2 肛2 ”。2 0 0 1 年，深圳大学王林等人报 道了有理数谐波主被动锁模掺铒光纤激光器l ”1 ；2 0 0 2 年，复旦大学的梁建中等人报 道了自锁横掺镱光纤激光器【2 3 | ；2 0 0 3 年到2 0 0 4 f f 期问，天津大学李世忱工作组研究 了8 字型腔，非线性偏振旋转锁模等被动锁模光纤激光器【2 4 。6 1 。2 0 0 4 年到2 0 0 5 年期间，西安光机所杨玲珍等人报道了被动锁模掺镱光纤激光器【2 7 喇j 。从上面1 以 看出，国内在锁模光纤激光器领域，取得了一定的研究成果，然而与国外相比，仍 存在一定的差距，特别是高能量锁模光纤激光器研究较少。实用化程度也远远不够， 有必要进一步加强锁模光纤激光器的研究。 1 2 2 锁模光纤激光器新发展及存在的问题 锁模光纤激光器最新进展： i 、 高重复频牢飞秒光纤激光器 高重复频率超短脉冲光纤激光器是进行超高速光通信的不可缺少的超快光源之 一。主动锁模光纤激光器可以产生高重复频率的锁模脉冲，但脉冲较宽，而被动锁 模光纤激光器的重复频率普遍不高。y d e n g 等人报道了在非线性偏振被动锁模的基 础上，加上碰撞脉冲结构实现被动凿波锁模光纤激光器，获得重复频率为6 0 5 m h z 、 3 8 0 f s 超短脉冲 2 9 】。如图1 1 所示 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 1 被动谐波锁模光纤激光器结构图 f i g l is c h e m eo f p a s s i v eh a r m o n i cm o d e l o c k i n gf i b e rl a s e r 2 、 多波长锁模光纤激光器 多波长锁模光纤激光器一直是光纤激光器技术重要的研究领域。图1 2 为2 0 0 3 年，r i eh a y a s h 等人所报道的1 6 波长锁模光纤激光器的结构图【3 0 】。他们在主动锁模 掺铒光纤激光器的基础上，利用液氮冷却方式实现多波长输出。 图1 - 2 多波长锁模光纤激光器结构图 f i g l - 2s c h e m eo f m u l t i w a v e l e n g t h sm o d e - l o c k i n gf i b e rl a s e r 3 、 展宽脉冲( s t r e t c h e dp u l s e s ) 锁模光纤激光器 由于光纤介质具有较高的色散和非线性系数，限制了锁模激光器输出能量。对 5 太原理t 火学硕i ：研究生学忙论文 于f s 脉冲，其典型的单脉冲能量在p j 量级。1 9 9 3q - ：，t a m u r a 等提出展宽脉冲锁模 技术，在非线性偏振旋转锁模腔内加入一段正常色散光纤，与反常色散 圜泮j 龠g 趣耻喜彰 图卜3 展宽脉冲锁模光纤激光器结构图 f i g l - 3s c h e m eo f s t r e t c h e dp u l s em o d el o c k i n gf i b e rl a s e r 光纤一同构成激光器腔体，提高输出脉冲的单脉冲能量，减小脉冲宽度“1 。2 0 0 5 年， a x e lr u e h l 等人利用展宽脉冲技术获得单脉冲能量达6 2 n j 、脉冲宽度6 4 f s 的超短脉 冲( 如图1 - 3 ) l ，是目前的最好结果。 目前锁模光纤激光器存在的问题： 1 、 主动锁模光纤激光器由于外界环境扰动引起工作不稳定，影响了其实用 化进程，耳前最常用的控制腔长变化的方法是采用再生锁模，以及利用 压电陶瓷来改变光纤腔长的锁相环技术，尽管在一定程度上可以改善锁 模激光器的工作稳定性，然而其结构复杂，成本高，难以直接推广应用。 同时，主动锁模光纤激光器存在着超模噪声，影响了其进一步应用。 2 、 被动锁模光纤激光器输出脉冲的重复频率较低且不可外部调控，其稳定 性同样受到环境变化的影响，输出脉冲的单脉冲能量较低。 6 太原理工大学硕：l 研究生学位论文 1 3 可调谐光纤激光器 可调凿光纤激光器是基于掺铒光纤8 0 n f f i 的增益带宽，在腔内加入滤波器件来控 制激光器的激射波长，实玑波长调谐。可调谐滤波器件一般可以选用f a b r y p e r o t 滤 波器f 3 2 i 、光纤布拉格光栅 3 3 1 、光环形镜m 1 、偏振器件3 5 3 6 1 等波长选择器件。s e u i n g k w a nk i m 等人报道了一种用增益平坦滤波器制成的宽带多波长掺铒光纤激光器，能 产生稳定的波长调谐范围在1 5 3 5 1 5 6 2 n m 的3 4 路激光输出【3 7 】。y a m a s h i t a 等人利用 一对偏振片和一段保偏光纤组成可调间距的滤波器，实现波长间距可调节【3 8 1 。吉林 大学的肖磊等人利用偏振片结合偏振控制器作为滤波器件，在l 一波段获得波长调谐 范围达4 1 n m ( 1 5 6 9 n m 1 6 1 0 n m ) 的环形腔掺铒光纤激光器【3 9 l 。目前可调谐光纤激光 器存在的主要问题是功率平坦性问题。 1 4 课题来源和本论文研究内容 本论文结合山西省留学归国人员科研启动基金( 2 0 0 4 1 7 ) 及国家自然科学基金项 目( 6 0 5 7 7 0 1 9 ) 的部分研究内容结合本课题组的研究方向，主要做了如下工作： l 、 第一章为文献综述，对锁模光纤激光器及可调谐光纤激光器的研究现状以 及发展趋势进行了全面的回顾和综述。总结了光纤激光器的各种锁模技术， 对比分析了各种锁模技术的优缺点。 2 、 第二章为非线性偏振旋转锁模技术的理论分析部分。利用时域锁模方程对 非线性偏振旋转锁模进行了分析，研究了腔体结构参数与锁模脉冲宽度、 啁啾、相移以及稳定性等参量之间的变化关系；分析了非线性偏振旋转被 动锁模自启动过程及其与激光器参数之间的关系。 3 、 第三章为非线性偏振旋转锁模光纤激光器的实验部分，采用增益平坦型掺 铒光纤放大器组成的超短脉冲光纤激光器进行实验。利用非线性偏振旋转 7 太原理t 大学硕l ：研究生学位论文 加成锁模技术，获得自启动、稳定的、中心波长1 5 6 0 n m 、重复频率 6 4 9 5 m h z 、单脉冲能量达0 7 n j 、脉冲宽度1 5 p s 的锁模脉冲。并选用输出 耦合比为2 0 ：8 0 的光纤耦合器实现了单脉冲能量高达1 8 n j 、脉冲宽度为 i i p s 的超短光脉冲。研究了输出耦合器耦合比及位置对光纤激光器输出的 影响。同时实验观察到峰值波长为15 5 7 n m 和l5 7 0 n m 的双峰值波长锁模脉 冲的产；f j 。 第四章为可调谐光纤激光器部分。利用光纤偏振控制器和偏振相关光隔离 器作为波长调谐器件，实现了中一i i , 波长在1 5 4 2 n m 1 5 6 4 n m 连续可调、平均 功率大于2 6 r o w 、边模抑制比大于3 5 d b 的连续激光输出。同时获得了波 长为15 4 3 n m 和1 5 6 2 n m 的双波长连续激光输出，并利用琼斯矩阵分析了该 光纤激光器实现可调谐输出及双波长产生的机理。实验研究了输出耦合器 耦合比、抽运功率对调谐范围、线宽、边模抑制比等的影响。 最后综合全文，对锁模光纤激光器及可调谐光纤激光器提出改善方案。 8 太原理丁火学硕：i ：研究生学僦论文 第二章非线- 陛偏振旋转锁模理论分析 非线性偏振旋转锁模光纤激光器具有其它锁模激光器所无法比拟的优点。本章 节列非线性偏振旋转锁模技术进行了理论分析：从时域锁模方程出发，详细讨论了 也散、自相位调制、自幅度调制参数对锁模光纤激光器的影响；利用非线性薛定谔 方程对被动锁模掺铒光纤激光器自肩动特性进行了理论分析，讨论了影响自启动锁 模的腔体参数。 2 1 光纤激光器锁模基本原理 2 1 1 锁模物理机制 激光器在多纵模运转时，激光器输出的总光场可由下式表示： 3 t e ( ，) = e x p ( i q ，- i 0 3t ) ( 2 1 ) m = - m 式中，、( o q 、分别为第q 个模式的振幅、角频率及相位。如果所有模式 都独立运转，其相位间没有确定关系，则总强度ie ( 驯2 中干涉项的平均效果为零， 这就是多模连续激光器的工作情况。此时输出功率为各模功率之和，即： ，o c ( 2 m + 1 ) 爵 ( 2 - 2 ) 而锁模状态出现的条件是：各模相位同步，任意相邻纵模的相位差固定为一常 数妒，即：一妒。一，= 妒。为简单起见，假设所有模式都有相同振幅乓，则此时激 光器输出的总光强可以由下式表示： m 川驯2 = 驾鬻鬻乓2 其脉冲峰值功率： 9 ( 2 3 ) 太原理- t 人学硕1 ：研究生学位论文 l ( 2 m + 1 ) 2 爵 5 。 q 。 嚣3 0 莨 罢2 0 1 0 0 ( 2 - 4 ) - 3210123 归一化时间 图2 - 1 七个等振幅的模被锁定后形成的脉冲序列 f i 9 2 一ip u l s e t r a i n f o r m e d w h e ns e v e n m o d e so f e q u a la m p l i t u d e sa r e m o d e l o c k e d 从式( 2 4 ) 中可以看出，锁模脉冲的峰值功率是非锁模脉冲功率的( 2 t v l + 1 ) 倍，且 腔内振荡的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。从式( 2 3 ) 中可以得到脉冲 峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔为：r 2 瓦砑了1 百万，脉冲宽度与能同 时运转的纵模的谱宽成反比关系。脉冲宽度和增益带宽的准确关系依赖于增益加宽 机制( 均匀加宽或非均匀加宽) 。 2 1 2 锁模技术的实现 光纤激光器可以通过三种方法来实现锁模：主动锁模、被动锁模及混合锁模。 主动锁模是通过外界信号来周期性调制谐振腔参量，实现各腔体纵模之间相位 锁定的一种锁模技术。其显著特征是：在激光器腔体中插入调制器，以等于纵模间 1 0 太原理工大学颁：i ：研究生学位论文 隔的调制频率来周期地调制凿振模的振幅和相位，促使被调制纵模产生边频，与其 相邻纵模之间发生相互作用并达到同步，从而形成稳定的锁模脉冲输出。光纤激光 器中采用的调制器件包含声光调制器和电光调制器( 如图2 - 2 ) 。 1 竺d 畔a 口凸。一u t p u t m50m 1尸i mm s 0em lm 2 画 图2 - 2 典型主动锁模光纤激光器原理图【4 0 】 f i 9 2 - 2s t r u c t u r eo f a c t i v e l ym o d el o c k e df i b e rl a s e r 主动锁模光纤激光器的优点是具有脉冲重复频率高、形状对称、中心波长和脉 冲重复频率可调谐、易实现高阶谐波锁模、可直接产生无频率啁啾近变换极限的光 脉冲等。但是，由于受到调制带宽的限制，其输出脉冲宽度通常为数十p s 量级，而 且还容易受到外界环境( 如温度变化、机械振动) 、谐振腔内偏振态起伏、超模噪声 等因素的影响，出现激光器稳定性不高、输出脉冲振幅起伏等问题。为提高主动锁 模光纤激光器的稳定性，就需要利用再生锁模技术或电反馈回路来提高系统稳定性。 因此，成本相对较高，技术难度大。此外调制器的引入不仅导致了腔体的附加损耗， 而且还引入了一个非光纤元器件，难以实现全光纤集成。 被动锁模是产生p s 或f s 脉冲的一种非常行之有效的方法，能在激光腔内不使 用调制器之类的任何有源器件的情况下实现超短脉冲的输出。其原理是利用非线性 器件对输入脉冲具有强度依赖性。目前光纤激光器实现被动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。 l 、 利用可饱和吸收体实现被动锁模 太原理工，：学 i l j f ：i ：研究生学位论文 在加成锁模技术出现之前，利用可饱利吸收体是实现被动锁模的唯一方法。其 锁模机制可描述如下：当光脉冲通过可饱和吸收体时，边缘部分损耗大于中央部分， 结果光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化。稀土元素的上能级寿命在i r i s 量级，相 比于脉冲在腔内运行一周的时间( u s 量级) 来说非常缓慢，光脉冲在腔内运行一周 后其增益几乎不会变化，因此需要快可饱和吸收体来实现被动锁懂。光纤激光器，1 ” 常用的可饱和吸收材料是半导体吸收介质( 如l n g a a s p 等) ，还可以把半导体激光 器用作可饱和吸收体，但要求它工作时的偏置电流必须低于闽值。这利t 方法可以产 生脉冲宽度为p s 量级的光脉冲，主要缺点是这种激光器不是全光纤结构。如i 图2 - 3 9 8 0 盟o0 0 0 r = 1 0 0 p m w d f r = 7 0 图2 - 3 基于可饱和吸收体被动锁模结构原理图1 4 1 1 f i 9 2 - 3s t r u c t u r eo f 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 rb a s e do ds a t u r a b l ea b s o r b e r 2 、非线性光纤环形镜( n o l m ) 或非线性放大环形镜( n a l m ) 被动锁模技术 使用非线性环形镜或非线性放大环形镜进行被动锁模的光纤激光器通常采用 8 字形腔体，所以通常称之为8 字形光纤激光器，其锁模技术通常被称之为 加成脉冲锁模( a p m ) 。非线性放大环形镜的工作原理是：入射光通过3 d b 光纤耦合 器分成传输方向相反、强度相同的两个部分，受到与强度相关的自相位调锘i j ( 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 1 2 太原理工大学颁，i ：研究生学位论文 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。非线性光纤环形镜的： 作原理是：利用耦合比不对称的光纤耦合器，将入射光 分为强度不等的传输方向相反的两个部分，其所受到的非线性效应导致的相移量不 同，而产生自l 幅度调制的脉冲窄化效应。这样加成脉冲的宽度被压窄，如此周而复 始，便可以形成稳定的锁模运转。如图2 4 所示。 图2 - 4 基于( a ) n a l m ! ”i ( b ) n o l m 的被动锁模结构图 f i 9 2 - 4s t r u c t u r eo f 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 rb a s e d0 1 1 c a ) n a l ma n d ( b ) n o l m 3 、 利用非线性偏振旋转锁模技术 利用非线性偏振旋转被动锁模的基本原理是通过偏振相关光隔离器之后的线偏 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相关光隔离器 能透过脉冲中央的高强度部分而阻挡低强度的边翼部分，这就形成了等效的可饱和 吸收体。从概念角度来讲，n p e 与非线性光纤环形镜锁模原理相同，都可以归属于 a p m ，只不过是同脉冲的两个垂直分量代替了相向传输的两束光波；从实用性角 1 3 太原理工火学硕二i ：研究生学位论文 度来看，非线性偏摄旋转效应只需一个光纤环即可实现被动锁模，其结沟简单，系 统稳定性好。 与主动锁模光纤激光器相比，被动锁模光纤激光器可以产生更短的脉冲，这是 因为随着脉冲的窄化，峰值强度和可饱和吸收休的作用也进一步加强。另外，由于 其不需要任何外界的有源调制器件，因此其腔体结构不仅更加简单，并且还可以实 现全光纤集成。其缺点是锁模脉冲的重复频率取决于腔体长度，通常难以获得高速 牢锁模脉冲输出。 混合锁模是指在同一激光腔体内使用两种以上的锁模技术。从前面的分析中， 我们了解到，被动锁模光纤激光器虽然可以产生f s 量级的光脉冲，1 _ l = l 其重复频率较 低，而主动锁模光纤激光器虽然重复频率较高，但其脉冲宽度较宽。如果将二者结 合起来，则可以得到窄脉冲、高重复频率且稳定的孤予脉冲序列。然而，混合锁模 中采用了丰动锁模调制元件，增加了插入损耗，且其系统结构依然难以实现全光纤 集成，其脉宽还受到调制器的影响，且实现起来比较困难，耳前还处于探索阶段。 2 1 3 锁模光纤激光器的腔形比较 锁模光纤激光器采用的腔体形式主要有：线性腔、环形腔、8 字形腔。 线性腔为f - p 结构，一般采用可饱和吸收体作为锁模器件，为传统的固体激光 器腔体，其集成度低、环境稳定性差、腔内需要精密训节的器件多、自启动困难， 且由于非全光纤结构，导致损耗比较大。但因所需的光纤比较短，易于进行色散补 偿，易于产生窄线宽的激光脉冲。 8 字形腔，为n o l m 及n a l m 常用的腔形结构，腔长比较长，从而使光脉 冲的重复频率低，且激光器容易工作在多脉冲状态下，且自启动阈值较高。但由于 s a g n a c 环路自身的特性( 小信号完全反射，强信号透过) 可以使激光器具有较低的 1 4 太原理丁大学硕：k 研究生学位论文 背景噪声。 叫i 形腔，为主动锁模激光器及非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器常用的腔体。 这种腔体，由于采用行波腔结构，避免了驻波腔内的空间调制，具有易于实现自启 动、结构简单、便于调节、抽运闽值低、输出脉冲质量高等优点，从而成为锁模光 纤激光器酋选腔体。 2 2 利用非线性偏振旋转效应实现被动锁模的基本原理 利用非线性偏振旋转c n p r ) 效应实现被动锁模的掺e r ”光纤激光器结构原理图 如图2 5 所示，主要由两个光纤偏振控制器，偏振相关光隔离器，掺铒光纤放大器 和输出耦合器组成。其中两个光纤偏振控制器和偏振相关光隔离器以及它们之间的 光纤组成一个非线性偏振旋转效应锁模器件，并在激光器中建立稳定的锁模脉冲。 图2 - 5 非线性偏振锁模光纤激光器结构图 f i 9 2 - 5s t r u c t u r eo f f i b e rl a s e rm o d el o c k e db yp - a p m 其锁模原理可作如下描述：光纤激光器被动锁模的原理是利用非线性偏振旋转 的自振i 幅调制作用。时域上，经过偏振相关光隔离器后的线偏振光，再经过一个偏 振控制器( p c i ) 后变成椭圆偏振光，由于腔内光纤的非线性效应，脉冲在光纤中 传输时椭圆偏振状态发生与强度相关的旋转，脉冲峰值部分和前后沿部分的偏振状 1 5 太原理工大学硕：l ：研究生学位论文 态不同，通过调节两个偏振控制器可使脉冲峰值部分通过偏振相关光隔离器的损耗 最小，而前后沿部分损耗较大，使脉冲得到窄化，多次循环后形成稳定的超短光脉 冲。从频域上分析，在脉冲形成初始阶段，达到阈值的激光频率，经过利用非线性 偏振旋转形成的类可饱和吸收体时，在增益选择作用下只剩下高增益的中心频率及 其边频，随后再经过类可饱和吸收体的作用和工作物质的放大，边频信号又激发新 的边频，如此继续下去，增益线宽内所有的模式都参与振荡，光谱得到展宽。 2 3 时域锁模方程以及腔体参数对锁模脉冲特性影响 利用时域锁模方程可以分析各种腔体参数如包敞、自相位调制、自幅度训制等 对锁模脉冲的影响，根据h a h a u s 理论，描述被动锁模光纤激光器的时域动力学 锁模方程为【4 4 】： 加_ ( g _ f ) a + b 归弦彤书凇卜 ( 2 - s ) 式中，a 为归一化电场包络幅度，为锁模脉冲单通相移，为单通线性腔体损 耗，g 为腔体总增益，在此假设增益是慢变的，可饱和的增益。d = 屈，代表腔 体净g v d 作用，j = ( 2 x 2 ) n ：l a 。，其中a 为波长，m 表示非线性系数单位，4 表示有效模场面积，6 1 a 1 2 代表着自相位调制( s p m ) 作用。y 2 代表可饱和吸收体 自振幅调制( s a m ) 作用。对于非线性偏振旋转锁模来说，自相位调制系数与偏振 控制器无关，仅仅与光纤的k e r r 系数以及光纤长度有关，而自振幅调制系数则和偏 振控制器的偏转角、起偏器的取向角以及光纤的非线性相移有关。因此，通过改变 偏振控制器的偏转状态以及脉冲能量大小，都会改变a p m 系数，最终导致激光器 输出特性的改变。 假设方程有以下精确的孤子解： 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 口( ，) = as e c h o + j c ) ( 二) ( 2 - 6 ) 代入锁模方程可得到两个等式： 肜= g 一，+ 丁( 1 + j c ) 2 。醇1 + j d ) ( 2 - 7 ) 7 1 醇1 + 例2 埘h 2 ) 2 吉( 一缈 ( 2 - 8 ) 其中w = 2 名f 为脉冲的能量。当脉冲抽运功率不变时w 为一定值。我们采用 归一化参数： 见= d q ；，以= w f 2 ；r o y 6 ，吒= w f 2 ；r 0 8 1 6 ( 2 9 ) g 。= ( g 一，) q ；，庐= 啤，2 2 ，t n = r r 0 ( 2 一l o ) 通过比较上述方程的实部和虚部，我们可以获得四个实数方程，对应于四个参 数：( 1 ) 净增益；( 2 ) 相移；( 3 ) 脉冲宽度；( 4 ) 啁啾常数。 g 。