激光线宽精密测量及1.5μm光纤激光线宽压缩技术研究

摘要

窄线宽激光具有极低的相位噪声和超长的相干长度，已广泛应用于相干光通信、分布式光纤传感、激光雷达、测距遥感等高精密探测领域，而激光线宽参数对相干测量系统的探测距离、探测精度、灵敏度以及噪声特性起重要的作用，在常规条件下获得窄线宽激光输出一直是研究的热点。
　　精密的激光线宽测量是研究窄线宽激光器的前提条件，而传统的激光线宽测量方法—自外差/自零差由于高斯线型对探测功率谱的展宽不可避免，难以满足线宽为kHz以及kHz以下的精密测量。针对现有激光线宽测量手段的局限性，本文提出利用短光纤延时自外差相关包络第二峰谷差值比较法实现激光线宽的精密测量，为定量分析不同机制对激光线宽进行压缩的演变过程奠定基础。
　　常规条件下用于激光线宽压缩的电反馈控制方法和光自注入反馈法很难将单纵模激光线宽压窄至百Hz，甚至Hz量级，本文提出了两种超窄线宽激光器结构，即基于瑞利散射和自注入反馈的超窄线宽激光器，以及基于受激布里渊增益和瑞利反馈的超窄线宽激光器。论文通过理论分析以及实验研究，探究了这两种激光器结构对激光输出特性的影响，分别获得了线宽低至130 Hz和75 Hz的窄线宽激光输出。此外，为降低光纤激光器泵浦光源的成本，论文还提出了一种基于双腔反馈的DFB激光器线宽压缩技术，可将DFB激光器的输出线宽降低至1 kHz左右。
　　论文的核心内容包括：
　　①提出一种激光线宽测量的新方法—短光纤延时自外差相关包络第二峰谷差值比较法。理论研究发现该方法可用于任意线宽的单纵模激光线宽测量，特别是针对窄线宽激光的精密探测。通过理论推导和实验验证了该方法的可行性与准确性，该方法能从本质上滤除中心频率处由于1/f噪声以及超长延迟光纤引起的高斯线型展宽，同时可极大缩减延迟光纤的长度。论文建立了相关包络第二峰谷差值模型，分析了激光线宽，相关包络的第二峰谷值差值，以及延迟光纤长度之间的关系。通过预估线宽以及合适的相关包络峰谷值来选取合适长度的延迟光纤，结合实际探测的相关包络峰谷值来得到精确的激光洛仑兹线宽。这种方法为线宽低至kHz，甚至Hz级别的激光线宽测量提供了便携式的精密测量手段。
　　②在实验室已有研究基础上，进一步研究了基于瑞利散射的激光线宽压缩机制，由模型仿真可知，瑞利散射的谱线宽窄于其入射光谱线，该线宽被压窄的瑞利散射信号经过增益放大，循环压缩后，最终获得窄线宽激光输出。由于后向散射光不依赖于波导结构以及入射光波长，即通过制作合适的瑞利波导结构利用该机制对任意波长的激光线宽进行压缩，故该机制为激光线宽的压缩开辟了新的思路。结合自注入反馈结构，增大光纤环形腔激光自由光谱范围，使得输出激光更稳定，通过优化其瑞利反馈量以及自注入激光光强，最终在常温下获得了线宽约为130 Hz的超窄线宽激光输出。
　　③提出了基于受激布里渊增益和瑞利反馈的激光线宽压缩方法。通过理论和实验研究了输出激光线宽与输入泵浦激光线宽之间的关系，揭示了泵浦激光线宽越小则受激布里渊增益带宽越小且越稳定，最后趋于一个定值，基于此提出了一种线宽逐级压缩方式，即通过简易的双腔压缩结构，将成本较低的MHz量级DFB线宽预压缩至kHz，再利用线宽压窄后的DFB激光器去激发受激布里渊从而构成受激布里渊激光器，通过受激布里渊环形压缩系统，使得其激光输出边模抑制比可达60 dB，线宽窄至200 Hz，再结合瑞利反馈结构，最终获得边模抑制比为70 dB，线宽约为75 Hz的超窄线宽激光输出。
　　④为降低超窄线宽光纤激光器中用于激发受激布里渊的泵浦源的成本，论文提出一种基于双腔自注入反馈的单纵模DFB激光线宽压缩方法。从理论和实验上，分别研究了单腔反馈和双腔反馈在不同反馈长度以及不同反馈率情况下的激光输出特性。双腔线宽压缩机制主要包含两个方面：
　　1)光的自注入弱反馈对激光本身的线宽压缩作用；
　　2)通过优化两个反馈腔的腔长对双腔形成的交叠模式（边模）进行抑制，提高输出激光的边模抑制比，获得窄线宽激光输出。利用双腔反馈将MHz级别激光器压缩至2.7 kHz，边模抑制比可达38 dB；将线宽为200 kHz的激光器压缩至1.5 kHz，边模抑制比高达45 dB。由于DFB半导体激光器存在30 dB左右的隔离器，故该反馈系统属于光的弱反馈系统，使得其输出功率稳定度控制在0.21％。双腔反馈结构为应用广泛的DFB激光提供了一种简单、有效、低成本的线宽压缩方式，这将会提升以DFB为光源的相干探测系统的性能。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 窄线宽激光器研究现状

1.3 激光线宽测量研究现状

1.4 本文的研究意义及内容

2 激光线宽精密测量技术研究

2.1 传统激光线宽测量理论及局限性分析

2.2 基于相关包络的激光线宽测量理论分析

2.3 相关包络特征的选取及模型的建立

2.4 线宽测量实验过程及实验结果讨论

2.5 相关包络第二峰谷差值及延迟光纤长度的选择

2.6 本章小结

3 激光线宽压缩理论分析

3.1 基于瑞利散射的激光线宽压缩理论分析

3.2 基于外腔反馈的DFB激光线宽压缩理论分析

3.3 本章小结

4 基于瑞利散射的窄线宽光纤激光技术研究

4.1 基于瑞利散射及自注入反馈的窄线宽激光器

4.2 基于瑞利散射的双波长窄线宽光纤激光器

4.3 基于瑞利散射窄线宽激光器的讨论

4.4 本章小结

5 基于受激布里渊增益与瑞利反馈的超窄线宽激光技术研究

5.1 基于受激布里渊环形腔散射系统及实验

5.2 激光线宽逐级压缩系统及实验

5.3 基于受激布里渊增益与瑞利反馈系统及实验

5.4 本章小结

6 基于双腔反馈的激光线宽压缩技术研究

6.1 基于外腔反馈的DFB激光线宽压缩理论分析

6.2 单腔反馈实验结果与讨论

6.3 双腔反馈实验结果与讨论

6.4 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 内容总结

7.2 论文创新点

7.3 论文不足及进一步研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录