非线性偏振旋转型超短脉冲及多波长光纤激光器

摘要

低损光纤制备技术的进步推动了光纤激光技术的高速发展。20世纪90年代，一种利用光纤作为波导介质、利用光纤的非线性偏振旋转特性产生可饱和吸收效应的新型光纤锁模激光器-非线性偏振旋转型锁模光纤激光器诞生了。光纤传输、新型锁模技术的特性以及相比于传统固体激光器极小的体积和较低的成本，使此激光器在近20年中吸引了大量的注意力，并取得了长足发展。如今，通过合理的设计，偏振旋转型光纤激光器在超短脉冲宽度、脉冲峰值功率、单脉冲能量、脉冲重复率等各项技术指标上都在快速逼近传统固体激光器，在通信、传感、生物、医疗、工业制造等领域显示出了巨大的潜能。因此，开展对锁模光纤激光器的研究有重要的应用价值。另一方面，研究光纤锁模激光器对推动非线性光纤光学基础研究的发展有显著作用。激光谐振腔的反馈作用使腔内光场具有远高于腔外光场的功率水平，因此腔内光场更容易达到多种光纤非线性效应的阈值条件，使得这些非线性现象在激光腔中更容易发生，因此便于对它们进一步的研究。至今，多种孤子现象的理论预言在此激光器中得到了验证，在此激光器中还观测到很多有趣的其它非线性现象，如低阈值超连续谱产生。可见，开展对此锁模光纤激光器的研究，有推动学科发展和应用进步的双重意义。
　　由于色散、非线性以及偏振效应的影响，光在激光器的波导介质-光纤中的传输特性非常丰富。加上激光腔作用的共同影响，使对于此激光器的分析十分复杂。目前，并无描述激光腔内的光场传输精确解析解，数值方法是模拟激光器运转的主要手段。因此，建立合适的分析模型，对深入理解激光器的工作原理，和进一步优化激光器的性能，有至关重要的作用。本论文利用激光腔传输的近似解总结出一种图形分析方法。通过验证，我们发现此方法可以快捷地对激光器现象进行分析，并找到其物理起源。以此方法为基础结合数值模拟方法，对激光器的脉冲宽度与工作波长的可调谐性进行了总结和分析，并随后设计出常温下稳定工作的双波长及多波长激光器。具体取得的主要科研成果如下：
　　第一，求解出激光腔内透射系数的近似解，以此近似解总结出关于透射系数的图形分析方法，并以此方法验证性地解释了多种激光器特性的物理起源，如泵浦时滞效应。区别于传统固体激光器利用克尔透镜或可饱和吸收效应锁模，非线性偏振旋转激光器是依赖于光在光纤中传输过程中的偏振旋转对光强的不均匀性来实现锁模的一种技术。由于工作机制的复杂性，目前缺乏简单而有效的方法来分析此激光器各种激光现象的物理机制。因此，建立合适的分析模型，对理解激光器的工作原理和对其进行优化设计显得十分重要。由于光纤传输的复杂性使激光振荡不能解析表示，为了得到近似解，分步考虑光在光纤中传输过程中的色散及非线性因素。首先，通过忽略光纤色散，可以结合光纤传输过程与激光腔的反馈作用进行分析，从而得到了激光腔的透射率曲线。此时，光纤色散的影响和激光器控制元件的影响均可以对应于激光器状态在曲线上的游走。由于此，方向从简单的图形分析就可以描绘激光器的工作原理，称之为图形分析方法。此方法同时考虑到了光纤传输、腔体及控制器件的共同影响，因此可以快捷而精确地分析在激光器各种工作状态的物理机制，并可依据分析结果对激光器优化设计。用此方法，对一些激光器中的现象进行了分析，发现可以快速得到和前人用较复杂的方法类似的分析结果，从而证实了它的有效性。
　　第二，研究了此激光器输出脉冲形状的可调谐性，分析了可调谐性产生的原因，和主要影响激光器锁模峰值功率及脉宽的因素。脉冲可调谐性是激光器在多种实际应用中的重要指标。在实验中发现偏振旋转光纤激光器在进入锁模状态之后，其输出脉冲的形状可以简单地通过调节腔内的偏振控制器进行调节。数值模拟同样证明：当偏振控制器引入的线性时延差在某一特定范围内改变时，激光器输出脉冲的峰值功率随其呈单调性变化。总结的图形分析方法解释了这种调谐性的物理起因：此激光器的透射率随腔内光功率的增加呈正弦型周期性振荡，这种非线性的损耗特性限制了激光器中振荡光场的峰值功率，使峰值功率由其对应在曲线上的初始状态决定。由于此初始状态可以通过调节偏振控制器而改变，因此在调节偏振控制器的过程中脉冲形状会随之变化。
　　第三，总结了激光器的振荡波长在调谐过程中表现出波长分裂、双波长振荡、波长漂移等多种波长动态变化特性，并分析解释了其物理起源。作为光纤通信、光传感等对波长十分敏感的实际应用的潜力光源，灵活调节或准确控制激光器工作波长的能力显得十分重要。然而，至今对非线性偏振旋转激光器的工作波长相关特性的研究还非常少，目前只有关于脉冲中心波长的可调谐性的相关报导。但是在实验中发现，在进行激光器调谐过程中，工作波长的变化动态远远比己报道的结果丰富：发现激光器不仅在某一工作状态下具有波长可调节谐，在不同工作态间切换时，还有波长分裂，波长跳跃等一系列有趣的波长变化过程。深入理解这些现象的物理机制不仅对进一步深入理解激光器的工作原理有重要作用，同样对设计波长可控制的单波长激光器，及双波长、多波长激光器的有指导意义。发现激光器的多种波长变化动态特性来源于激光器中光纤波导的色散。在某一特定的功率水平下，激光腔对不同波长的光波的透射率并不相同，且此种激光器透射率的色散曲线也呈正弦型变化。于是，激光器的振荡波长由增益谱线和透射谱线共同决定。当正弦型的透射谱线随激光器的调谐发生改变时，激光器的振荡波长被重新选择，从而表现出多种激光频谱的变化。使用图形分析结合考虑光纤色散因素，可以很好地解释激光器在调谐过程中的各种变化情况，对波长动态做出了较为完整的总结和分析。
　　第四，实现了一种混合输出的双波长激光器，并通过分析指出了双波长振荡是偏振旋转型光纤激光器的本质特征这一结论。同一激光器同时在双波长或多波长工作一直是激光器领域让人感兴趣的话题。为了实现这种多波长工作，通常研究者会往激光腔中加入一些滤波元件，迫使激光器只能在选定的波长振荡。但在实验中发现偏振旋转型光纤激光器可以不使用任何滤波器件而实现这种双波长振荡。这种双波长振荡包括双波长连续光工作状态以及连续光和脉冲光的混合双波长工作状态。此外，发现这种混合态具有开关特性，即可以选择性地在双波长之中的一个波长形成锁模脉冲。图形分析给出了这种双波长振荡的是由激光腔透射率色散的单调性变化引起的，且证明这种双波长振荡是此激光器的一种内在性质。数值模拟证明激光器的波长由增益谱形和损耗谱形共同决定，并得到双波长的位置同时由增益谱的形状及腔内的双折射强度决定的结果。
　　第五，利用非线性偏振旋转技术实现了若干个具有信道间隔及工作波长双重调谐能力的常温多波长掺铒光纤激光器。现代密集波分复用光纤通信系统提出了对稳定的、可调谐的多波长激光器的需求。目前多波长激光器主要在以非均匀加宽的半导体激光器腔内加入梳状滤波器件实现。掺铒光纤提供了更优的增益能力，但由于其均匀加宽特性，邻近的振荡波长竞争强烈，因此不能简单地通过在掺铒光纤激光器中内加入梳状滤波器的方法实现稳定的常温多波长振荡。然而，发现利用非线性偏振旋转型激光器中非线性损耗引起的峰值限制效应可以有效地抑制了激光器的模式竞争，在腔内梳状滤波器的共同作用下实现了常温下稳定的多波长振荡。用激光腔的自滤波效应和使用外加梳状滤波器两种方法均实现了腔内梳状滤波功能，并利用它们实现了稳定的常温多波长振荡。此外，激光器的腔损耗特性使激光器有良好的调谐性，使其能通过调谐来满足不同光纤通信系统中对信道波长及波长间隔的要求。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 非线性偏振旋转型光纤激光器的发展历史和研究进展

1.3 非线性偏振旋转型光纤激光器的理论基础

1.3.1 被动锁模激光器

1.3.2 光孤子

1.3.3 光纤非线性双折射

1.3.4 光纤非线性偏振旋转

1.3.5 偏振旋转激光器基本原理

1.4 论文研究内容及框架

第2章 非线性偏振旋转型光纤激光器的分析方法

2.1 激光腔透射率的近似解析解及图形分析方法

2.2 激光器的数值模型

第3章 偏振旋转型光纤激光器的脉宽可调节性研究

3.1 激光器结构及实验结果

3.2 激光器脉宽可调谐的模拟分析

3.3 输出脉冲可调性的理论分析及解释

3.4 小结

第4章 激光器振荡波长的动态特性

4.1 实验结构和结果

4.2 数值模拟结果

4.3 波长动态特征的物理机制

4.4 小结

第5章 可开关的双波长激光器

5.1 实验结构和结果

5.2 可开关的混合模式振荡的物理起因

5.3 数值模拟

5.4 小结

第6章 常温多波长激光器设计

6.1 自滤波效应实现多波长振荡

6.1.1 实验模型和原理

6.1.2 实验结果

6.2 内置滤波器实现多波长激光器

6.2.1 实验模型和原理

6.2.2 实验结果

6.3 小结

结 论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读博士学位期间所参与的科研活动