超窄线宽布里渊掺铒光纤环形激光器机理与特性研究

摘要

超窄线宽激光器（～kHz）在高精度光纤传感、远程相干光通信、高精度光学精密计量和高分辨率雷达成像等技术领域具有十分重要而广泛的应用。光源的线宽直接影响着传感系统的性能。尤其在基于相位产生载波技术（phase generated carrier，PGC）的干涉型光纤传感系统中，要求光源具有超窄线宽的同时还要具备快速调谐稳定以及中心频率稳定的特性。目前常用的超窄线宽固体激光器、半导体激光器和掺铒光纤激光器，由于存在一定局限性导致难以同时具有上述特性。随着非线性光纤光学的发展，利用光纤中受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering，SBS）产生的超窄线宽光纤激光器出现并引起广泛关注。由于需要苛刻的耦合谐振条件或者较高的布里渊泵浦阈值（瓦量级），布里渊光纤激光器（Brillouin fiber laser，BFL）历经四十年发展仍难以满足实际应用要求。
　　本文利用一段数米普通掺铒光纤（erbium-doped fiber，EDF）同时提供布里渊增益与线性增益的方法，实现光源的线宽压缩和低阈值（～30mW）工作。在此基础上研制的布里渊掺铒光纤激光器（Brillouin/erbium fiber laser，BEFL）具有结构紧凑（数米腔长）、低噪声（-125dB/Hz1/2@1kHz）单频输出的特性，并且同时满足超窄线宽（~50Hz）、快速调谐稳定以及中心频率稳定的要求，在干涉型光纤传感、相干光通信以及微波光子学等领域具有重要的应用价值。
　　本论文主要研究成果和创新点如下：
　　1、使用一段普通掺铒光纤同时提供布里渊增益与线性增益的方法，实现腔长仅为数米的紧凑型BEFL。传统BEFL需要上百米单模光纤提供布里渊增益，过长的腔长使得激光器发生跳模而输出频率不稳定。采用高非线性特种光纤作为增益介质可以实现腔长压缩，但这种方法导致激光器的阈值较高、输出功率较低。采用普通掺铒光纤作为混合增益介质构造BEFL，不仅能大幅缩短腔长，保证激光器单模运转，而且激光器的实现难度也更低。
　　2、研究紧凑型BEFL的关键物理效应即掺铒光纤的受激布里渊散射。实验测量得到掺铒光纤的布里渊频移是11.13GHz，布里渊增益谱宽是50MHz。分析并推导掺铒光纤的布里渊阈值，计算表明掺铒光纤的线性增益能有效降低布里渊阈值。尤其当掺铒光纤置于谐振腔时，布里渊阈值低至几个毫瓦。掺铒光纤的受激布里渊散射特性研究为紧凑型BEFL的研究打下基础，也丰富扩充了光纤受激布里渊散射的研究内容，为有源光纤受激布里渊散射及其相关应用研究打下基础。
　　3、研究紧凑型BEFL的输出功率特性。通过仿真计算与实验研究，证明了紧凑型BEFL的低泵浦阈值和较高输出功率的特性。分别使用4m、1.5m和45cm掺铒光纤构造BEFL，1mW的布里渊泵浦光即可满足激光器运转要求，980nm泵浦阈值仅为30mW，激光输出功率可达到10mW。相比较采用高非线性的短腔布里渊掺铒光纤激光器上百毫瓦的泵浦阈值，本文研究的紧凑型 BEFL阈值低、输出功率较高、有利于实际应用。
　　4、研究紧凑型BEFL的超窄线宽特性。窄带布里渊增益谱是BEFL天然的线宽压缩机制，同时由于BEFL谐振腔中的线性增益大幅提升了腔的精细度，BEFL能够将线宽较宽的布里渊泵浦光转换为超窄线宽布里渊Stokes激光。实验证明紧凑型BEFL将1.12MHz的布里渊泵浦光转换为线宽小于1kHz的布里渊Stokes激光。利用基于Voigt线型拟合的线宽测试方法进一步得出紧凑型BEFL的洛伦兹线宽仅为50Hz。使用低噪声相位解调仪得到BEFL具有极低的相位噪声，在1kHz处为-125dB/Hz1/2（干涉仪光程差是1m）。BEFL的超窄线宽特性，尤其是它的线宽压缩能力，在各种高相干光学领域具有重要的意义。
　　5、研究紧凑型BEFL的快速调谐特性。使用压电陶瓷的伸缩效应实现BEFL的快速调谐。实验结果表明快速调谐BEFL具有60MHz的频率调谐范围，最大48kHz的快速调谐速率，-124dB/Hz1/2的超低相位噪声（1kHz频率处，归一化至1m光程差），以及稳定的频率调谐幅度。相比半导体激光器，快速调谐BEFL具有稳定的频率快速调谐；相比基于饱和吸收体的掺铒光纤激光器，BEFL的中心频率稳定性更高。快速调谐BEFL可以用作干涉型光纤传感系统的光源，并有望提升传感系统的稳定性与精度。
　　6、研究频率间隔超过50GHz的多波长BEFL。利用泵浦预放大技术的BEFL，通过向腔内注入两个不同波长的布里渊泵浦光，实现了信道频率间隔超50GHz且频率间隔可调节的双波长BEFL。频率间隔超过50GHz的多波长BEFL在波分复用系统具有广泛的应用前景。

目录

声明

文中主要缩略语列表及含义

第一章 绪论

1.1 传统超窄线宽激光器概述

1.2 布里渊光纤激光器概述

1.3 布里渊掺铒光纤激光器概述

1.4 超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器的研究意义

1.5 论文的主要工作

第二章 超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器的工作机理

2.1 紧凑型布里渊掺铒光纤环形激光器

2.2 掺铒光纤中的布里渊散射

2.3 本章小结

第三章 布里渊掺铒光纤激光器的输出功率特性

3.1 BEFL输出功率特性理论分析

3.2 BEFL输出功率特性实验研究

3.3 本章小结

第四章 布里渊掺铒光纤激光器的超窄线宽特性

4.1 BEFL线宽压缩机制

4.2 BEFL线宽压缩特性实验研究

4.3 BEFL的相位噪声抑制

4.4 BEFL超窄线宽与超低相位噪声的精确测量

4.5 超窄线宽BEFL与商用超窄线宽激光器的对比

4.6 本章小结

第五章 布里渊掺铒光纤激光器的快速调谐特性

5.1 BEFL的快速调谐机制

5.2 BEFL的快速调谐特性

5.3 本章小结

第六章 多波长布里渊掺铒光纤环形激光器初步研究

6.1 多波长BEFL的工作原理

6.2 双波长BEFL实验研究

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 论文的主要结论和创新

7.2 下一步的研究工作

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果