新型摻鉺光纖環(huán)形腔雙波長(zhǎng)激光器及其應(yīng)用研究.pdf

1、摻鉺光纖環(huán)形腔雙波長(zhǎng)激光器是以摻鉺光纖作為增益媒質(zhì)、光纖為導(dǎo)光介質(zhì)、環(huán)形腔為諧振腔形式、在同一個(gè)激光諧振腔內(nèi)同時(shí)穩(wěn)定地運(yùn)行兩束波長(zhǎng)不同的激光的激光器，具有閾值低、增益帶寬寬、線(xiàn)寬窄、調(diào)諧范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、重量輕等眾多優(yōu)點(diǎn)。摻鉺光纖環(huán)形腔雙波長(zhǎng)激光器在通信和傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文以以上兩個(gè)領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用背景，對(duì)摻鉺光纖環(huán)形腔雙波長(zhǎng)激光器的設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。其中，在通信領(lǐng)域，我們關(guān)注的是光學(xué)外差法產(chǎn)生高頻微波源的研究;而在

2、傳感領(lǐng)域，我們的關(guān)注點(diǎn)是摻鉺光纖環(huán)形腔激光陀螺。
　　近年來(lái)隨著微波光子學(xué)的發(fā)展，尤其是radio on fiber(ROF)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)微波工作頻率提高的需求越來(lái)越大。利用光學(xué)外差法拍頻產(chǎn)生高頻率微波信號(hào)，是一種光學(xué)生成微波信號(hào)的手段。摻鉺光纖環(huán)形腔雙波長(zhǎng)激光器則是一種很有潛力的光學(xué)外差法的激光源。
　　摻鉺光纖環(huán)形腔激光陀螺是一種將激光陀螺技術(shù)和光纖技術(shù)結(jié)合在一起構(gòu)成的慣性器件，以摻鉺光纖環(huán)形腔激光器為敏感元件

3、，通過(guò)測(cè)量激光器中順逆時(shí)針激光由于Sagnac效應(yīng)產(chǎn)生的頻率差來(lái)感知被測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。摻鉺光纖環(huán)形腔激光陀螺具有重量輕，抗震動(dòng)性強(qiáng)，靈敏度大，動(dòng)態(tài)范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是，與普通的激光陀螺一樣，在摻鉺光纖環(huán)形腔激光陀螺的過(guò)程中，也遇到頻率閉鎖和零頻漂移等問(wèn)題。
　　摻鉺光纖在室溫條件下具有較強(qiáng)的增益均勻加寬效應(yīng)。作為激光器的增益媒質(zhì)，當(dāng)兩束激光的波長(zhǎng)接近時(shí)，增益均勻加寬效應(yīng)引起交叉增益飽和，將導(dǎo)致激光不能同時(shí)穩(wěn)定地產(chǎn)生振蕩;

4、摻鉺光纖是固體媒質(zhì)，激光的反射將在摻鉺光纖內(nèi)引入空間燒孔，導(dǎo)致激光多縱模狀態(tài)或功率不穩(wěn)定。因此，摻鉺光纖環(huán)形腔激光器內(nèi)同時(shí)獲得較小波長(zhǎng)差的兩束激光需要削弱增益均勻加寬效應(yīng)和空間燒孔效應(yīng)。
　　本論文的工作主要圍繞著摻鉺光纖環(huán)形腔雙波長(zhǎng)激光器在通信領(lǐng)域和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)研究。針對(duì)這兩種不同的應(yīng)用背景，我們分別對(duì)摻鉺光纖環(huán)形腔雙波長(zhǎng)激光器的設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。
　　1)基于光學(xué)外差法產(chǎn)生微波源的研究
　　在這一部分，我們的目標(biāo)

5、是實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)的微波源。而摻鉺光纖環(huán)形腔雙波長(zhǎng)激光器的設(shè)計(jì)原則實(shí)現(xiàn)兩束激光工作在單頻單縱模狀態(tài)、相位相關(guān)、頻率漂移小、波長(zhǎng)差在極寬范圍內(nèi)可調(diào)、功率穩(wěn)定。
　　設(shè)計(jì)了一種兩個(gè)偏振分束器同偏振端口串聯(lián)并為每束激光選擇相反傳輸方向的裝置，使得環(huán)形腔激光器中運(yùn)行兩束相互正交的線(xiàn)偏振光，兩束激光傳輸方向相反，在摻鉺光纖內(nèi)引入激光反向傳輸，減小增益媒質(zhì)摻鉺光纖中的空間燒孔和兩束激光之間的模式競(jìng)爭(zhēng)，使得兩束激光在波長(zhǎng)差較小的情況下也可實(shí)現(xiàn)同時(shí)穩(wěn)

6、定的振蕩;通過(guò)對(duì)兩束激光分別進(jìn)行濾波的方法，使得兩束激光的波長(zhǎng)差在極寬的范圍內(nèi)在線(xiàn)連續(xù)可調(diào);通過(guò)聯(lián)合濾波的方式進(jìn)一步加強(qiáng)激光的穩(wěn)定性，保持激光的單頻單縱模狀態(tài)。
　　根據(jù)設(shè)計(jì)方案搭建激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，兩束激光可觀(guān)測(cè)到的最小波長(zhǎng)差為0.019nm，最大波長(zhǎng)差為15nm。在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，兩束激光保持單頻單縱模狀態(tài)。
　　在以上波長(zhǎng)差在極寬范圍內(nèi)可調(diào)的摻鉺光纖環(huán)形腔雙波長(zhǎng)激光器的基礎(chǔ)上，我們實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率在極寬范圍內(nèi)可調(diào)的基于光學(xué)外

7、差法的光生微波源，受限于觀(guān)測(cè)條件，我們觀(guān)測(cè)到的信號(hào)頻率最小值為472.5MHz，最高可調(diào)節(jié)至22GHz左右，此頻率已接近微波頻段中的毫米波波段。若有適當(dāng)?shù)呐念l條件和觀(guān)測(cè)手段，拍頻信號(hào)的頻率可一直延伸到太赫茲波段。
　　2)摻鉺光纖環(huán)形腔激光陀螺的研究
　　在摻鉺光纖環(huán)形腔激光陀螺中減小頻率閉鎖和零頻漂移，需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙波長(zhǎng)環(huán)形腔激光器，兩束激光傳輸方向相反，在波長(zhǎng)差極小的情況下同時(shí)穩(wěn)定地振蕩，并保持單頻單縱模狀態(tài)。
　

8、　文中，在環(huán)形腔激光器中加入雙向圓起偏器使得環(huán)形腔中運(yùn)行傳輸方向相反、旋向相同的兩束圓偏振光，在摻鉺光纖中避免空間燒孔;采用兩個(gè)雙向圓起偏器串聯(lián)的方法，將環(huán)形腔激光器分為有源區(qū)和無(wú)源區(qū)，降低激光器的調(diào)節(jié)復(fù)雜度;在環(huán)形腔激光器中加入永磁體制作、旋轉(zhuǎn)角度為45度的法拉第旋轉(zhuǎn)體，在系統(tǒng)中引入非互易效應(yīng)，減小激光器中由于后向反射導(dǎo)致的兩束激光的耦合;通過(guò)對(duì)激光進(jìn)行聯(lián)合濾波的方式進(jìn)一步加強(qiáng)激光的穩(wěn)定性，保持激光的單頻單縱模狀態(tài)。
　　根據(jù)設(shè)