超窄線寬布里淵摻鉺光纖環(huán)形激光器機理與特性研究.pdf

1、超窄線寬激光器（～kHz）在高精度光纖傳感、遠程相干光通信、高精度光學精密計量和高分辨率雷達成像等技術領域具有十分重要而廣泛的應用。光源的線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（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寬的同時還要具備快速調(diào)諧穩(wěn)定以及中心頻率穩(wěn)定的特性。目前常用的超窄線寬固體激光器、半導體激光器和摻鉺光纖激光器，由于存在一定局限性導致難以同時具有

2、上述特性。隨著非線性光纖光學的發(fā)展，利用光纖中受激布里淵散射（stimulated Brillouin scattering，SBS）產(chǎn)生的超窄線寬光纖激光器出現(xiàn)并引起廣泛關注。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），布里淵光纖激光器（Brillouin fiber laser，BFL）歷經(jīng)四十年發(fā)展仍難以滿足實際應用要求。
　　本文利用一段數(shù)米普通摻鉺光纖（erbium-doped fiber，EDF）同時

3、提供布里淵增益與線性增益的方法，實現(xiàn)光源的線寬壓縮和低閾值（～30mW）工作。在此基礎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）、低噪聲（-125dB/Hz1/2@1kHz）單頻輸出的特性，并且同時滿足超窄線寬（~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等領域具有重要的應用價值。
　　本論文主要研究成果

4、和創(chuàng)新點如下：
　　1、使用一段普通摻鉺光纖同時提供布里淵增益與線性增益的方法，實現(xiàn)腔長僅為數(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，過長的腔長使得激光器發(fā)生跳模而輸出頻率不穩(wěn)定。采用高非線性特種光纖作為增益介質(zhì)可以實現(xiàn)腔長壓縮，但這種方法導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，保證激光器單模運轉(zhuǎn)，而且激光器的實現(xiàn)難度也更低。
　　2、研

5、究緊湊型BEFL的關鍵物理效應即摻鉺光纖的受激布里淵散射。實驗測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。分析并推導摻鉺光纖的布里淵閾值，計算表明摻鉺光纖的線性增益能有效降低布里淵閾值。尤其當摻鉺光纖置于諧振腔時，布里淵閾值低至幾個毫瓦。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，也豐富擴充了光纖受激布里淵散射的研究內(nèi)容，為有源光纖受激布里淵散射及其相關應用研究打下基礎。
　　3

6、、研究緊湊型BEFL的輸出功率特性。通過仿真計算與實驗研究，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足激光器運轉(zhuǎn)要求，980nm泵浦閾值僅為30mW，激光輸出功率可達到10mW。相比較采用高非線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、有利于實際應用。
　　4、研究緊湊型BEFL的超窄

7、線寬特性。窄帶布里淵增益譜是BEFL天然的線寬壓縮機制，同時由于BEFL諧振腔中的線性增益大幅提升了腔的精細度，BEFL能夠?qū)⒕€寬較寬的布里淵泵浦光轉(zhuǎn)換為超窄線寬布里淵Stokes激光。實驗證明緊湊型BEFL將1.12MHz的布里淵泵浦光轉(zhuǎn)換為線寬小于1kHz的布里淵Stokes激光。利用基于Voigt線型擬合的線寬測試方法進一步得出緊湊型BEFL的洛倫茲線寬僅為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的超窄線寬特性，尤其是它的線寬壓縮能力，在各種高相干光學領域具有重要的意義。
　　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實現(xiàn)BEFL的快速調(diào)諧。實驗結(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50GHz的多波長BEFL。利用泵浦預放大技術的BEFL，通過向腔內(nèi)注入兩個不同波長的布里淵泵浦光，實現(xiàn)了信道頻率間隔超50GHz且頻率間隔可調(diào)節(jié)的雙波長BEFL。頻率間隔超過50GHz的多波長BEFL在波分復用系統(tǒng)具有