全光纤单频掺铥光纤激光器和有源内腔光纤传感技术研究

摘要

高功率单频光纤激光器和基于高性能光纤激光技术的有源内腔光纤传感器在精细光谱、高速率长距离相干通信、高精度遥感和高灵敏度气体检测、高分辨率温度测量等领域具有广泛而重要的应用背景，是当前激光技术领域的研究热点。本文以全光纤高功率单频掺铥光纤激光光源和全光纤有源内腔光纤传感技术的应用这两个研究方向为出发点开展研究工作，具体内容如下： 1.搭建全光纤结构的2μm掺铥光纤MOPA系统。自制功率为35 mW、线宽<50 kHz、RIN为-120 dB/Hz的1925 nm DBR结构单频光纤振荡器，通过三级包层放大将信号光功率放大至45 W，斜率效率43.3%。输出功率为45 W时，信号光线宽为56 kHz、RIN峰值频率和功率分别为860 kHz和-90 dB/Hz。分析了ASE和增益光纤上能级寿命对激光单频性的影响，实验结果表明上能级寿命影响RIN的中心频率，而ASE通过影响信噪比而决定信号光线宽，ASE的增加使信噪比降低而引起线宽展宽，该研究为抑制信号光展宽提供了实验依据。 2.双包层有源光纤的温度场分布。以掺铥光纤为例，从速率方程和热传导方程出发，推导双包层有源光纤内部温度场的解析表达式，分析了内包层形状、信号光功率等因素对泵浦能量提取以及光纤横截面和纵向温度分布规律的影响，为高功率光纤激光放大器性能优化提供参考。 3.单频光纤激光器在高分辨率温度传感中的应用。设计一种基于可调谐环形腔单频光纤激光器的有源内腔温度传感器，实现了-5℃到60℃范围内的温度检测，对应灵敏度为9.65 pm/℃，最大测量误差<2.9%。由于激光器输出信号光线宽<1 kHz，采用光外差技术可将传感器理论极限分辨率提高至8.4×10-6℃。 4.有源光纤激光器在气体传感中的应用。设计了一种基于Sagnac滤波器选频和环形腔掺铥光纤激光器腔内模式竞争效应的，可实现通道自动切换的有源光纤CO2气体传感器。实验中采用1.5μm波段的高精度可调F-P滤波器对原理进行验证，实现了1532.83 nm和1534.10 nm处乙炔气体浓度检测，对应探测灵敏度分别为398 ppm和1905 ppm，工作通道内的最大测量误差均<7.2%。 5.基于标准DWDM器件的全光纤有源内腔传感器组网技术研究。利用商用DWDM搭建了1530.37 nm、1532.80 nm和1536.71 nm三通道乙炔气体浓度检测系统。在对空芯光子晶体光纤气室内的乙炔浓度进行检测时，系统最高检测灵敏度为100 ppm，并通过电压梯度法将系统检测速度提高了6.5倍。

目录

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第1章 绪论

1.1光纤激光器简介

1.2全光纤单频掺铥光纤激光器的研究意义和发展现状

1.3有源内腔光纤传感技术的研究意义和发展现状

1.4论文的主要工作及各章研究内容

第2章 单频光纤激光器实现方式和单频特性测量原理

2.1单频光纤激光器的实现方式

2.2单频激光器光谱线宽的测量原理

2.3单频激光器噪声测量原理

2.4本章小结

第3章 单频掺铥光纤激光器的理论和实验研究

3.1 Tm3+能级结构

3.2 Tm3+泵浦方式和光谱特性

3.3 DBR结构单频掺铥光纤激光器理论研究

3.4 DBR结构单频掺铥光纤激光器实验研究

3.5本章小结

第4章 高功率单频掺铥光纤放大器的理论和实验研究

4.1高功率掺铥光纤放大器输出特性的理论研究

4.2高功率掺铥光纤放大器温度特性的理论研究

4.3高功率单频光纤激光器中的非线性效应

4.4高功率掺铥光纤放大器输出特性的实验研究

4.5本章小结

第5章 光子晶体光纤模式计算和实验研究

5.1光子晶体光纤数值分析方法

5.2光子晶体光纤模场分布特性计算

5.3光子晶体光纤传感应用实验研究

5.4本章小结

第6章 有源内腔光纤传感器的理论和实验研究

6.1有源内腔光纤传感原理

6.2基于单频光纤激光器的高分辨率温度传感系统

6.3有源内腔空芯光子晶体光纤气体浓度检测系统

6.4本章小结

第7章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢