激光器中的自調(diào)制及不穩(wěn)性研究.pdf

1、1960年，Theodore Maiman成功地演示了第一臺(tái)紅寶石固體激光器。與其他的普通光源相比，激光器可以輻射出在時(shí)域和空間相干度很高的光束。由于激光器所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)良特性，在隨后的五十多年中，激光技術(shù)的研究及應(yīng)用成為物理研究領(lǐng)域中熱點(diǎn)之一。激光器的光譜從紫外光可以一直擴(kuò)展至遠(yuǎn)紅段波段。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今激光器的應(yīng)用已經(jīng)遍及光通訊、醫(yī)學(xué)治療、精密測(cè)量、國(guó)防工業(yè)等等。
　　 激光器是一個(gè)有著許多非線性效應(yīng)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)

2、受到外界環(huán)境的擾動(dòng)或者系統(tǒng)本身的噪聲因素的影響下，會(huì)從穩(wěn)態(tài)變到不穩(wěn)態(tài)（甚至混沌），從而表現(xiàn)出各種各樣的動(dòng)力學(xué)特性，偏離了人們?cè)O(shè)計(jì)激光器時(shí)的預(yù)期，人們稱之為激光器的不穩(wěn)定性，如:全固態(tài)拉曼激光器中的自鎖模調(diào)制現(xiàn)象、拉曼晶體溫度的變化對(duì)于全固態(tài)拉曼激光器穩(wěn)定性的影響、半導(dǎo)體激光器中光反饋引起的暗脈沖現(xiàn)象、光纖激光器中調(diào)制不穩(wěn)定性及光纖激光器的暗孤子現(xiàn)象。通過(guò)研究激光系統(tǒng)的不同特性表現(xiàn)，可以驗(yàn)證和分析各種物理模型，更好地理解激光器這一復(fù)雜的動(dòng)

3、力學(xué)系統(tǒng)。對(duì)于基礎(chǔ)物理研究而言，研究激光器的不穩(wěn)定性是激光器物理重要的分支之一。今天，不管是基礎(chǔ)物理還是應(yīng)用物理，激光器的不穩(wěn)定性研究及混沌控制探索都成為一項(xiàng)重要的課題。
　　 在本論文中，對(duì)目前為止應(yīng)用最為廣泛的三種激光器系統(tǒng)（全固態(tài)激光器、半導(dǎo)體激光器及光纖激光器）的一些典型的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和研究，包括全固態(tài)拉曼激光器中的自鎖模調(diào)制現(xiàn)象、拉曼晶體溫度的變化對(duì)于全固態(tài)拉曼激光器穩(wěn)定性的影響、半導(dǎo)體激光器中光反饋引起

4、的暗脈沖現(xiàn)象、光纖激光器中調(diào)制不穩(wěn)定性及光纖激光器的暗孤子現(xiàn)象。一方面，論文對(duì)激光器的不穩(wěn)定性（拉曼激光器中的自鎖模調(diào)制、半導(dǎo)體激光器中的暗脈沖現(xiàn)象）產(chǎn)生的物理機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并提出了分別實(shí)現(xiàn)和避免出現(xiàn)這些不穩(wěn)定性現(xiàn)象的工作條件;另一方面，利用激光系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧拉曼激光器、高重復(fù)頻率光纖激光器、暗孤子激光器等新型激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　 論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 1.研究了全固態(tài)拉曼激光器中的時(shí)域的不

5、穩(wěn)定性—自鎖模調(diào)制現(xiàn)象。以Nd∶YAG晶體為激光增益介質(zhì)，以BaWO4晶體作為拉曼工作物質(zhì)，分別研究了全固態(tài)拉曼激光器在不同腔長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)條件下的拉曼脈沖自鎖模調(diào)制現(xiàn)象。當(dāng)激光器工作在較長(zhǎng)的腔長(zhǎng)的條件下(70 cm)，可以得到100％調(diào)制深度的調(diào)Q鎖模脈沖，脈沖寬度為240 ps。發(fā)現(xiàn)拉曼脈沖的自鎖模調(diào)制深度與激光器的泵浦水平有著密切的關(guān)聯(lián)。研究表明，工作在閾值附近及較長(zhǎng)的諧振腔長(zhǎng)度有利于穩(wěn)定的拉曼自鎖模脈沖輸出，而較高的泵浦功率及盡可能短

6、的腔長(zhǎng)則可以有效的避免這種不穩(wěn)定性的產(chǎn)生。
　　 2.研究了全固態(tài)拉曼激光器中二階斯托克斯光的自鎖模調(diào)制現(xiàn)象。以Nd∶YAG晶體為激光增益介質(zhì)，以BaWO4晶體作為拉曼工作物質(zhì)，在側(cè)面泵浦的拉曼激光器中，實(shí)現(xiàn)了1103nm一階拉曼光及1145nm二階拉曼光的同時(shí)輸出。在泵浦功率為115W時(shí)，可以獲得9.4 W的平均功率輸出。其中，1103nm拉曼光為振蕩輸出，1145 nm拉曼光為單程受激散射產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)比分析，單程受激拉曼散射

7、光比振蕩產(chǎn)生的拉曼光表現(xiàn)出更明顯的鎖模調(diào)制。
　　 3.研究了拉曼晶體溫度變化對(duì)于拉曼激光器頻域穩(wěn)定性的影響。利用這一不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧Nd∶YAG/YVO4拉曼激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)拉曼晶體溫度從5℃變化至150℃時(shí)，拉曼激光器的中心波長(zhǎng)可以從1175.76 nm連續(xù)調(diào)諧至1175.27 nm，其可調(diào)諧范圍為0.49 nm。同時(shí)，拉曼激光器功率輸出從550 mW下降至75 mW，脈沖寬度從8.0 ns變?yōu)?2.3 ns。當(dāng)拉曼晶

8、體從400 K變化至410 K時(shí)，激光功率有一個(gè)很明顯的下降過(guò)程。激光器波長(zhǎng)的可調(diào)諧性與晶體溫度呈現(xiàn)出非常好的線性關(guān)系，同時(shí)激光器有著很好的光束質(zhì)量。
　　 4.研究了半導(dǎo)體量子阱激光器在外界光反饋影響下的不穩(wěn)定性。在不同的光反饋條件下，量子阱激光器表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性。在合適的光反饋條件下，激光器可以輸出一系列的暗脈沖序列，暗脈沖的重復(fù)頻率由外腔的長(zhǎng)度所決定。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到暗脈沖的分裂現(xiàn)象?？梢哉J(rèn)為觀測(cè)到的暗脈沖是半導(dǎo)體激光器

9、一種時(shí)域諧振腔孤子表現(xiàn)形式?；贚ang-Kobayashi方程，理論分析了光反饋導(dǎo)致的半導(dǎo)體激光器動(dòng)力學(xué)特性。當(dāng)激光器無(wú)外界光反饋或者強(qiáng)反饋?zhàn)⑷腈i定狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)激光器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免不穩(wěn)定性的產(chǎn)生。
　　 5.分別研究了光纖激光器工作于負(fù)色散及正色散區(qū)間時(shí)的調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象。利用這一不穩(wěn)定性，分別在負(fù)色散及正色散的光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了重復(fù)為30GHz及26 GHz的高重復(fù)頻率脈沖序列輸出，其脈寬分別為710fs和5.36 p

10、s。實(shí)驗(yàn)中，光纖激光器的鎖模脈沖自啟動(dòng)是由非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
　　 6.研究了光纖激光器中一種新的不穩(wěn)定現(xiàn)象—暗孤子。根據(jù)非線性薛定諤方程，在正色散的光纖中可以產(chǎn)生暗孤子?；诖死碚?，在全正色散光纖光纖激光器中，研究了暗孤子在光纖中的形成過(guò)程。得到了脈寬小于25 ps的暗孤子時(shí)域信號(hào)，從而可以清楚地證明正色散光纖激光器中暗孤子的存在。并且，發(fā)現(xiàn)暗孤子之間的相互耦合會(huì)產(chǎn)生較大的暗脈沖現(xiàn)象。
　　 7.研究了色散管理

11、的光纖激光器中暗孤子特性。根據(jù)非線性薛定諤方程，負(fù)色散光纖中是不存在暗孤子現(xiàn)象的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)光纖激光器總色散為正時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生暗孤子現(xiàn)象。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。從而表明，在總色散為正的光纖激光器，暗孤子這一現(xiàn)象是普遍存在的。
　　 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1.通過(guò)對(duì)全固態(tài)拉曼激光器自鎖?，F(xiàn)象的研究，首次對(duì)拉曼鎖模的物理機(jī)理提出了清晰地解釋:拉曼激光脈沖的自鎖模調(diào)制源于基頻光的自鎖模調(diào)制，并且在受激拉曼散射的

12、過(guò)程中，存在一種時(shí)域凈化作用，從而使拉曼光的自鎖模調(diào)制顯得更加明顯。同時(shí)，給出了拉曼激光器產(chǎn)生自鎖模調(diào)制的工作條件，對(duì)于控制和避免拉曼自鎖模的產(chǎn)生具有指導(dǎo)意義。
　　 2.研究了側(cè)面泵浦的主動(dòng)調(diào)Q內(nèi)腔式Nd∶YAG/BaWO4拉曼激光器的拉曼激光特性。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)諧振腔，利用拉曼晶體較弱的拉曼頻移譜線332 cm-1實(shí)現(xiàn)了1103 nm拉曼激光的高效輸出。在泵浦功率為115 W，重復(fù)頻率為15 kHz時(shí)，其最大平均輸出功率為9

13、.4 W。這是第一次在實(shí)驗(yàn)中證明了利用較弱的拉曼頻移譜線同樣可以產(chǎn)生高效的拉曼激光輸出。
　　 3.首次研究了溫度可調(diào)諧拉曼激光器的激光特性。Nd∶YAG晶體作為激光增益介質(zhì)，c切YVO4晶體作為拉曼介質(zhì)，通過(guò)調(diào)節(jié)拉曼晶體溫度的變化實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧。當(dāng)拉曼晶體的溫度從5℃調(diào)諧至150℃時(shí)，Nd∶YAG/YVO4拉曼激光器的中心波長(zhǎng)可以從1175.76 nm連續(xù)調(diào)諧至1175.27 nm，其調(diào)諧范圍為0.49 nm。
　　

14、4.研究了量子阱激光器中高頻暗脈沖現(xiàn)象。當(dāng)量子阱激光器處于合適的光反饋條件下，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的暗脈沖序列輸出，其重復(fù)頻率由半導(dǎo)體激光器外腔長(zhǎng)決定。這是第一次在量子阱激光器中發(fā)現(xiàn)該特性，從而說(shuō)明了暗脈沖現(xiàn)象并不是量子點(diǎn)激光器所特有的動(dòng)力學(xué)特性，而是由光反饋所引起的一種普遍的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性。
　　 5.在光纖激光器中，利用光纖中的調(diào)制不穩(wěn)定性，分別在負(fù)色散和正色散的光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)頻率的脈沖序列輸出，重復(fù)頻率分別為30 GHz和

15、26GHz，相應(yīng)的脈寬為710fs和5.36 ps。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在光纖激光器中調(diào)制不穩(wěn)定性是普遍存在的。
　　 6.第一次給出了正色散光纖激光器的暗孤子的波形圖，清楚地證明了暗孤子在正色散光纖激光器中的存在，并分析了暗脈沖在腔內(nèi)的形成過(guò)程。同時(shí)，研究了色散管理的光纖激光器中暗孤子的形成過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，只要光纖激光器總的色散為正，就可以觀測(cè)到明顯的暗孤子現(xiàn)象。數(shù)值理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，這是第一次對(duì)色散管理的光纖激光器的暗孤子