超窄線(xiàn)寬布里淵摻鉺光纖環(huán)形激光器機(jī)理與特性研究.pdf

1、超窄線(xiàn)寬激光器（～kHz）在高精度光纖傳感、遠(yuǎn)程相干光通信、高精度光學(xué)精密計(jì)量和高分辨率雷達(dá)成像等技術(shù)領(lǐng)域具有十分重要而廣泛的應(yīng)用。光源的線(xiàn)寬直接影響著傳感系統(tǒng)的性能。尤其在基于相位產(chǎn)生載波技術(shù)（phase generated carrier，PGC）的干涉型光纖傳感系統(tǒng)中，要求光源具有超窄線(xiàn)寬的同時(shí)還要具備快速調(diào)諧穩(wěn)定以及中心頻率穩(wěn)定的特性。目前常用的超窄線(xiàn)寬固體激光器、半導(dǎo)體激光器和摻鉺光纖激光器，由于存在一定局限性導(dǎo)致難以同時(shí)具有

2、上述特性。隨著非線(xiàn)性光纖光學(xué)的發(fā)展，利用光纖中受激布里淵散射（stimulated Brillouin scattering，SBS）產(chǎn)生的超窄線(xiàn)寬光纖激光器出現(xiàn)并引起廣泛關(guān)注。由于需要苛刻的耦合諧振條件或者較高的布里淵泵浦閾值（瓦量級(jí)），布里淵光纖激光器（Brillouin fiber laser，BFL）歷經(jīng)四十年發(fā)展仍難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。
　　本文利用一段數(shù)米普通摻鉺光纖（erbium-doped fiber，EDF）同時(shí)

3、提供布里淵增益與線(xiàn)性增益的方法，實(shí)現(xiàn)光源的線(xiàn)寬壓縮和低閾值（～30mW）工作。在此基礎(chǔ)上研制的布里淵摻鉺光纖激光器（Brillouin/erbium fiber laser，BEFL）具有結(jié)構(gòu)緊湊（數(shù)米腔長(zhǎng)）、低噪聲（-125dB/Hz1/2@1kHz）單頻輸出的特性，并且同時(shí)滿(mǎn)足超窄線(xiàn)寬（~50Hz）、快速調(diào)諧穩(wěn)定以及中心頻率穩(wěn)定的要求，在干涉型光纖傳感、相干光通信以及微波光子學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文主要研究成果

4、和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1、使用一段普通摻鉺光纖同時(shí)提供布里淵增益與線(xiàn)性增益的方法，實(shí)現(xiàn)腔長(zhǎng)僅為數(shù)米的緊湊型BEFL。傳統(tǒng)BEFL需要上百米單模光纖提供布里淵增益，過(guò)長(zhǎng)的腔長(zhǎng)使得激光器發(fā)生跳模而輸出頻率不穩(wěn)定。采用高非線(xiàn)性特種光纖作為增益介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)腔長(zhǎng)壓縮，但這種方法導(dǎo)致激光器的閾值較高、輸出功率較低。采用普通摻鉺光纖作為混合增益介質(zhì)構(gòu)造BEFL，不僅能大幅縮短腔長(zhǎng)，保證激光器單模運(yùn)轉(zhuǎn)，而且激光器的實(shí)現(xiàn)難度也更低。
　　2、研

5、究緊湊型BEFL的關(guān)鍵物理效應(yīng)即摻鉺光纖的受激布里淵散射。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到摻鉺光纖的布里淵頻移是11.13GHz，布里淵增益譜寬是50MHz。分析并推導(dǎo)摻鉺光纖的布里淵閾值，計(jì)算表明摻鉺光纖的線(xiàn)性增益能有效降低布里淵閾值。尤其當(dāng)摻鉺光纖置于諧振腔時(shí)，布里淵閾值低至幾個(gè)毫瓦。摻鉺光纖的受激布里淵散射特性研究為緊湊型BEFL的研究打下基礎(chǔ)，也豐富擴(kuò)充了光纖受激布里淵散射的研究?jī)?nèi)容，為有源光纖受激布里淵散射及其相關(guān)應(yīng)用研究打下基礎(chǔ)。
　　3

6、、研究緊湊型BEFL的輸出功率特性。通過(guò)仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，證明了緊湊型BEFL的低泵浦閾值和較高輸出功率的特性。分別使用4m、1.5m和45cm摻鉺光纖構(gòu)造BEFL，1mW的布里淵泵浦光即可滿(mǎn)足激光器運(yùn)轉(zhuǎn)要求，980nm泵浦閾值僅為30mW，激光輸出功率可達(dá)到10mW。相比較采用高非線(xiàn)性的短腔布里淵摻鉺光纖激光器上百毫瓦的泵浦閾值，本文研究的緊湊型 BEFL閾值低、輸出功率較高、有利于實(shí)際應(yīng)用。
　　4、研究緊湊型BEFL的超窄

7、線(xiàn)寬特性。窄帶布里淵增益譜是BEFL天然的線(xiàn)寬壓縮機(jī)制，同時(shí)由于BEFL諧振腔中的線(xiàn)性增益大幅提升了腔的精細(xì)度，BEFL能夠?qū)⒕€(xiàn)寬較寬的布里淵泵浦光轉(zhuǎn)換為超窄線(xiàn)寬布里淵Stokes激光。實(shí)驗(yàn)證明緊湊型BEFL將1.12MHz的布里淵泵浦光轉(zhuǎn)換為線(xiàn)寬小于1kHz的布里淵Stokes激光。利用基于Voigt線(xiàn)型擬合的線(xiàn)寬測(cè)試方法進(jìn)一步得出緊湊型BEFL的洛倫茲線(xiàn)寬僅為50Hz。使用低噪聲相位解調(diào)儀得到BEFL具有極低的相位噪聲，在1kHz處

8、為-125dB/Hz1/2（干涉儀光程差是1m）。BEFL的超窄線(xiàn)寬特性，尤其是它的線(xiàn)寬壓縮能力，在各種高相干光學(xué)領(lǐng)域具有重要的意義。
　　5、研究緊湊型BEFL的快速調(diào)諧特性。使用壓電陶瓷的伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)BEFL的快速調(diào)諧。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明快速調(diào)諧BEFL具有60MHz的頻率調(diào)諧范圍，最大48kHz的快速調(diào)諧速率，-124dB/Hz1/2的超低相位噪聲（1kHz頻率處，歸一化至1m光程差），以及穩(wěn)定的頻率調(diào)諧幅度。相比半導(dǎo)體激光器，快

9、速調(diào)諧BEFL具有穩(wěn)定的頻率快速調(diào)諧；相比基于飽和吸收體的摻鉺光纖激光器，BEFL的中心頻率穩(wěn)定性更高?？焖僬{(diào)諧BEFL可以用作干涉型光纖傳感系統(tǒng)的光源，并有望提升傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度。
　　6、研究頻率間隔超過(guò)50GHz的多波長(zhǎng)BEFL。利用泵浦預(yù)放大技術(shù)的BEFL，通過(guò)向腔內(nèi)注入兩個(gè)不同波長(zhǎng)的布里淵泵浦光，實(shí)現(xiàn)了信道頻率間隔超50GHz且頻率間隔可調(diào)節(jié)的雙波長(zhǎng)BEFL。頻率間隔超過(guò)50GHz的多波長(zhǎng)BEFL在波分復(fù)用系統(tǒng)具有