分布反饋光纖激光器的特性研究與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、經(jīng)過幾十年的努力和發(fā)展，光纖激光器及光纖放大器已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，被廣泛的應(yīng)用在了通信、傳感、醫(yī)療以及工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。近年來隨著摻雜光纖制作技術(shù)及光纖光柵刻寫技術(shù)的發(fā)展，在光纖上直接寫入光柵而構(gòu)成線型腔光纖激光器的技術(shù)也越來越成熟。而線型腔光纖激光器具有體積小、重量輕、噪聲低、線寬窄以及易于大規(guī)模組陣復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛的應(yīng)用在光纖激光傳感領(lǐng)域。分布反饋光纖激光器(DFB)是在一段摻雜光纖上直接寫入一個(gè)π相移光柵而構(gòu)成的線型腔光纖激光器，這類

2、激光器的諧振腔長(zhǎng)度都在厘米量級(jí)，且輸出激光都是窄線寬低噪聲的高相干光。
　　DFB光纖激光器由于具有靈敏度高、抗電磁干擾、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)范圍大、易于大規(guī)模組陣復(fù)用等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在光纖傳感領(lǐng)域。由于DFB光纖激光器是國(guó)內(nèi)研究起步較晚的一種新型結(jié)構(gòu)激光器，對(duì)其特性進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，對(duì)它的實(shí)際應(yīng)用推廣是十分重要的。在本論文中，我們就對(duì)DFB光纖激光器的特性進(jìn)行了詳細(xì)的理論及實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要研究成果如下:
　　1.圍繞著諧振腔的

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)闡述了DFB光纖激光器的工作原理，并且介紹了相移位置型非對(duì)稱DFB光纖激光器以及折射率調(diào)制深度型非對(duì)稱DFB光纖激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及可以獲得穩(wěn)定單向激光輸出的工作原理。
　　2.介紹了課題組所搭建的基于氬離子紫外激光器和抖動(dòng)掩模板技術(shù)的光纖光柵和光纖激光器的制作系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠制作任意復(fù)雜的折射率結(jié)構(gòu)，可以精確的控制相移量和相移位置，并定制光柵特性從而結(jié)合不同的有源摻雜光纖制作各種光纖激光器。最后還簡(jiǎn)要介紹了課題組所制作

4、的DFB光纖激光器，以及進(jìn)行不同封裝設(shè)計(jì)后的DFB光纖激光器。
　　3.利用傳輸矩陣?yán)碚?，?duì)DFB光纖激光器的光譜特性，即相移光柵的無源透射譜進(jìn)行了仿真模擬，從理論上分析了相移光柵的各個(gè)參數(shù)，包括相移量的大小、相移位置、光纖光柵長(zhǎng)度、折射率調(diào)制深度等參數(shù)對(duì)透射譜中間狹縫的半高寬度的影響。實(shí)驗(yàn)中提出了新的測(cè)試光譜的方法，即DFB-LD電流掃描法，此方法基本實(shí)現(xiàn)了連續(xù)掃描，具有更高的分辨率和信噪比，能夠精確的測(cè)試得到相移光柵中間狹縫的

5、半高寬度，分辨率可以達(dá)到23.5fm。
　　4.結(jié)合理論模擬和具體實(shí)驗(yàn)對(duì)DFB光纖激光器輸出激光的閾值和斜率效率展開了研究。將兩種不同類型的DFB光纖激光器，即對(duì)稱DFB光纖激光器和非對(duì)稱DFB光纖激光器輸出激光的閾值和斜率效率進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)得出普通對(duì)稱DFB光纖激光器兩端輸出激光功率基本相等，而非對(duì)稱DFB光纖激光器可以獲得穩(wěn)定的單向輸出。經(jīng)過理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，這種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的DFB光纖激光器兩端輸出激光功率比最大可達(dá)到10

6、0∶1。
　　5.對(duì)DFB光纖激光器輸出激光的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。利用速率方程理論為基礎(chǔ)，建立了理論模型，從理論上分析了DFB光纖激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括鉺離子摻雜濃度，泵浦功率以及耦合系數(shù)等參數(shù)對(duì)RIN特性的影響。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)環(huán)境噪聲的影響進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)引入的外界環(huán)境噪聲幅度為7dB時(shí)，DFB光纖激光器輸出激光的噪聲水平增大3.6dB/(Hz)1/2。實(shí)驗(yàn)中對(duì)泵浦功率損耗的影響也進(jìn)行了測(cè)試和分析，

7、并且選取了幾個(gè)具有不同折射率調(diào)制深度的DFB光纖激光器進(jìn)行了測(cè)試研究，分析了耦合系數(shù)對(duì)RIN特性的影響。
　　6.對(duì)DFB光纖激光器的強(qiáng)度響應(yīng)特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。以速率方程理論為基礎(chǔ)，建立了DFB光纖激光器對(duì)外界聲壓激勵(lì)強(qiáng)度響應(yīng)的理論模型，推導(dǎo)得出了外界聲壓激勵(lì)擾動(dòng)的調(diào)制函數(shù)，并對(duì)DFB光纖激光器的強(qiáng)度響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真和分析。實(shí)驗(yàn)中，詳細(xì)研究了外界自然環(huán)境以及泵浦功率對(duì)DFB光纖激光器強(qiáng)度響應(yīng)的影響，并且加入聲壓信號(hào)對(duì)DF

8、B光纖激光器輸出激光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，在DFB光纖激光器的頻率譜中可以明顯得出所加入的頻率為16.5kHz的聲壓信號(hào)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，得出結(jié)論:DFB光纖激光器具有強(qiáng)度響應(yīng)特性并且具有應(yīng)用為調(diào)制型傳感器的潛力。給出了該類型傳感器的聲壓靈敏度的計(jì)算方法，首次通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算得出了基于DFB光纖激光器的強(qiáng)度調(diào)制型傳感器的聲壓靈敏度，測(cè)試頻率范圍為800Hz到9kHz，聲壓靈敏度在-180dBreμW/μPa至-16

9、5dBreμW/μPa范圍內(nèi)。
　　7.分析了DFB光纖激光器在傳感組陣中最常遇到的問題，即陣列中泵浦功率預(yù)算，以及陣列中所引入的幾種外部光反饋，如熔接點(diǎn)、端面反射和瑞利散射等對(duì)陣列輸出光特性的影響。首次提出將非對(duì)稱DFB光纖激光器應(yīng)用在傳感組陣中。實(shí)驗(yàn)中選取了四支非對(duì)稱DFB光纖激光器，并且詳細(xì)給出了四支DFB光纖激光器輸出激光的特性，包括輸出功率，相對(duì)強(qiáng)度噪聲以及馳豫振蕩頻率。對(duì)陣列輸出激光器的特性進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用非對(duì)

10、稱DFB光纖激光器組陣可以有效的改善陣列輸出激光的平坦性，尤其是陣列中后三元陣元輸出激光功率波動(dòng)在0.5dB以內(nèi)。
　　8.對(duì)四元陣列中的相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)特性進(jìn)行了測(cè)試，分析了各陣元在組陣后，RIN特性受相鄰陣元影響后的變化。DFB光纖激光器輸出激光的馳豫振蕩頻率只受泵浦功率影響，而與其他外部因素?zé)o關(guān)，所以我們利用了這一特點(diǎn)，用馳豫振蕩頻率對(duì)陣列中各陣元的泵浦功率進(jìn)行校準(zhǔn)，由實(shí)際的泵浦功率可知DFB的實(shí)際RIN，最后將DFB