全光纤结构喇曼光纤激光器研究

摘要

分布式喇曼光纤放大器(RFA)具有增益带宽任意扩展性、低噪声和减小系统非线性效应等优点，成为宽带光放大器的研究热点。RFA实用化的关键技术之一是具备合适波长的大功率泵浦源。喇曼光纤激光器基于光纤中的受激喇曼散射效应，理论上可以实现任意波长高功率激光输出，被认为是RFA的理想泵浦源。与半导体激光器相比，喇曼光纤激光器具有输出波长灵活设计、功率大、偏振不敏感、光束质量好、转换效率高和与现有光纤通信系统兼容等特点。此外，采用多波长级联喇曼光纤激光器作为RFA泵源，可以实现宽带、平坦增益谱。论文的主要工作可概括如下：
　　 (1)考虑各级斯托克斯光有效纤芯面积的差异性，提出了一种改进的适用于任意阶级联的喇曼光纤激光器解析理论分析模型。推导了喇曼光纤激光器输出功率、阈值泵浦功率、光-光转换效率最大时的最佳喇曼光纤长度和最佳输出耦合器反射率的解析表达式。根据理论推导结果分析了一锗硅光纤五级级联喇曼光纤激光器的输出特性，并将理论计算结果与相关实验数据作了对比，比较结果验证了理论推导结果的正确性。基于该解析模型，对喇曼光纤激光器进行了优化设计，结果表明：光-光转换效率与阈值泵浦功率需要折衷设计；在最佳喇曼光纤长度附近，光-光转换效率对光纤长度的变化不敏感，这种性质增加了级联喇曼光纤激光器优化设计中对喇曼光纤长度选择的灵活性；输出耦合器反射率的变化对喇曼光纤激光器光-光转换效率的影响更显著；谐振腔的附加损耗会严重劣化级联喇曼光纤激光器性能，在优化设计时需尽可能减小腔内的损耗。
　　 (2)为分析与设计多波长级联喇曼光纤激光器，提出了一种具有优异收敛性能的混合遗传算法。它结合了遗传算法全局搜索能力强和打靶法在收敛域内快速收敛的优点。三波长级联喇曼光纤激光器的数值计算结果表明：该混合遗传算法克服了传统遗传算法收敛于局部最优值或者在最优值附近左右摆动和打靶法需要设置适当打靶初值的缺点；对少数优良个体的打靶大大加速了它的收敛。
　　 (3)实验研究了一级1156nm喇曼光纤激光器中斯托克斯光谱的展宽。实验结果发现，随着泵浦功率的增加，腔内斯托克斯光谱呈现出“双峰”结构，同时还出现了非对称结构的斯托克斯光频谱边带，确认了斯托克斯光纵模间的FWM非线性作用是导致其展宽的主要原因。采用有效反射率法可以修正喇曼光纤激光器的理论模型，选择具有高喇曼增益系数的光纤作为喇曼增益媒质可以一定程度缓解斯托克斯光谱的展宽。
　　 (4)实验研究了基于Sagnac梳状滤波器和宽带啁啾光纤布拉格光栅的1550nm多波长喇曼光纤激光器。腔内的色散位移光纤强化了信道间的FWM作用，能自动对各信道输出功率起均衡化作用。实验获得了室温工作稳定、波长间距为0.54nm和单信道3dB线宽为0.18nm的六波长喇曼光纤激光器，各信道在半小时内的最大波长漂移约为0.06nm，最大功率波动小于0.8dB。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2喇曼光纤激光器的研究目的与意义

1.3国内外喇曼光纤激光器的研究现状及其发展趋势

1.3.1国内外研究现状

1.3.2喇曼光纤激光器的最新研究进展

1.3.3喇曼光纤激光器的应用及其发展趋势

1.4本论文的主要研究内容和章节安排

1.4.1本论文完成的主要工作

1.4.2章节安排

第二章 级联喇曼光纤激光器基础

2.1级联喇曼光纤激光器的基本结构

2.1.1级联喇曼光纤激光器的简介

2.1.2喇曼光纤激光器泵浦源

2.1.3喇曼增益光纤

2.1.4光纤布拉格光栅

2.2级联喇曼光纤激光器的基本原理

2.2.1 光纤中的受激喇曼散射

2.2.2 光纤中级联SRS

2.2.3光纤喇曼增益谱

2.3级联喇曼光纤激光器的理论模型

2.3.1 SRS物理过程的数学描述

2.3.2其它几个重要喇曼光纤参数

2.4级联喇曼光纤激光器数值分析方法

2.4.1多维并行打靶算法

2.4.2遗传算法(GA)

2.5小结

第三章 连续波级联喇曼光纤激光器的理论分析与优化设计

3.1引言

3.2级联喇曼光纤激光器的理论模型

3.3级联喇曼光纤激光器的解析分析法

3.3.1斯托克斯光输出功率

3.3.2最佳喇曼光纤长度和最佳输出耦合器反射率

3.3.3剩余泵浦光功率

3.4实验对比与讨论

3.5剩余泵浦光功率的影响

3.6级联喇曼光纤激光器的优化设计

3.6.1喇曼光纤长度的影响

3.6.2输出耦合器反射率的影响

3.6.3谐振腔附加损耗的影响

3.7喇曼光纤的选择

3.8小结

第四章 多波长级联喇曼光纤激光器的数值分析方法

4.1引言

4.2多波长级联喇曼光纤激光器理论模型

4.3数值分析方法设计

4.4数值结果与讨论

4.4.1 混合遗传数值方法的优点

4.4.2输出耦合器反射率的影响

4.4.3喇曼光纤长度的影响

4.4.4剩余泵浦功率

4.5小结

第五章 喇曼光纤激光器斯托克斯光谱展宽分析

5.1引言

5.2斯托克斯光谱展宽实验装置

5.3实验结果分析与讨论

5.4斯托克斯光谱展宽的应对措施

5.5小结

第六章 1550 nm波段多波长连续喇曼光纤激光器的实验研究

6.1引言

6.2多波长喇曼光纤激光器实验结构与原理

6.2.1 1455nm连续喇曼泵浦源

6.2.2喇曼增益光纤

6.2.3多波长振荡谐振腔

6.3实验结果与讨论

6.3.1腔内无色散位移光纤

6.3.2色散位移光纤对喇曼光纤激光器的影响

6.4多波长喇曼光纤激光器的性能可扩展性

6.5小结

第七章 全文总结

7.1论文的主要内容

7.2论文的主要创新点

7.3下一步需要讨论的问题

参考文献

致 谢

作者简介

攻读博士学位期间已发表或录用的论文