石英基稀土掺杂单频窄线宽光纤激光器及其关键技术研究

摘要

单频窄线宽掺Er3+、掺Tm3+光纤激光器在军用、民用领域具有极大的应用价值。掺Er3+窄线宽光纤激光器在相干光通信、光载无线通信系统、长距离及超长距离光纤传感系统等领域有着广泛的应用，而掺Tm3+窄线宽光纤激光器则在激光医学、空间光通信、空间遥感、激光雷达以及光参量振荡放大等领域有着广泛的应用。本论文基于自制石英基稀土掺杂光纤与超窄带光纤光栅滤波器件，采用多种腔形结构对掺Er3+光纤激光器和掺Tm3+光纤激光器展开理论与实验研究，取得的主要研究成果与创新点为:
　　1.提出并搭建了一种单偏振、单频线形腔石英基掺Er3+光纤激光器，利用自制布拉格光纤光栅(FBG) F-P窄带滤波器与饱和吸收体共同对激光纵模进行选择，通过在谐振腔内置入起偏器使得激光器在腔内无偏振保持器件条件下实现了稳定单偏振、单频输出。激光器在室温下的稳定输出波长为1544.45 nm，输出激光信噪比为65 dB，偏振度大于99％。通过延迟自外差法对输出激光进行测量得到Lorentz拟合线宽为6.95 kHz。
　　2.提出并搭建了一种用于光子微波生成的双波长单频环形腔石英基掺Er3+光纤激光器，利用自制双通道FBG F-P滤波器作为双波长振荡的选频器件，未泵浦的掺Er3+光纤作为可饱和吸收体结合高反FBG共同作用确保激光器两个波长均为单纵模运行，通过调节腔内的偏振控制器可以实现双波长激光的可切换输出。在室温条件下，激光器的两个稳定输出波长分别为1544.67nm和1544.73nm，其消光比均大于40 dB，且均为单纵模运行。在稳定双波长激光输出时，经过光电转换可得7.129 GHz的微波拍频信号，信号的信噪比(SNR)大于30 dB，3 dB带宽约为12 kHz。
　　3.利用相位掩膜法在自制的石英基高浓度掺杂Er3+光纤中写制长为13 cm的相移光栅，以此构成DFB激光谐振腔。激光器在室温下的稳定输出波长为1544.77nm，最高输出功率达43.5 mW，斜率效率为11.5％。通过延迟自外差法对输出激光进行测量得到Lorentz拟合线宽为9.39 kHz。
　　4.提出并搭建了一种石英基D型双包层掺Tm3+光纤DBR激光器，激光腔由直接写入自制掺Tm3+光纤纤芯中的一对FBG构成，通过控制写制FBG的曝光量实现激光腔两端FBG反射率R1和R2的调节。该激光腔内无熔接点，克服了D型有源光纤作为增益介质在光纤激光器搭建时容易引起巨大接续损耗的缺陷。激光输出中心波长为1946.4nm，光信噪比(OSNR)约为65 dB，3dB带宽为0.16 nm。最大输出功率为2.56 W，斜率效率为38.4％，光光转换效率为36.2％。
　　5.提出并搭建了线形腔和环形腔结构的单频石英基掺Tm3+光纤激光器，利用自制相移光纤光栅超窄带滤波器作为纵模选择器件，通过腔内偏振控制器抑制空间烧孔和偏振烧孔效应使得激光器在单纵模状态下稳定运行。这两种激光器的输出波长分别为1941.98 nm和1941.61 nm，在光谱仪分辨率为0.05 nm时测得光信噪比分别为45 dB和60 dB，斜率效率分别为3％和30.5％，最高输出功率分别为65 mW和385 mW。通过自零差法验证，该两种激光器均为单频输出，且线宽分别小于6.4 MHz和10MHz。
　　6.基于自制啁啾莫尔FBG超窄带滤波器，提出并搭建了一种波长可调谐环形腔单频石英基掺Tm3+光纤激光器。通过应力对输出端选频器件FBG进行调节，当FBG的布拉格波长与啁啾莫尔FBG的谐振峰重叠时，激光器内的腔损达到最低，激光腔内即可实现激光振荡。激光器在室温下实现稳定的激光输出，其可调输出波长分别为1942.75 nm，1943.28 nm，1943.99 nm，1944.35 nm，1944.76 nm，1945.08nm，1945.44nm，1945.83nm，此8个波长的光信噪比均大于40 dB。通过零差法测量验证该激光器在每个波长输出时均为单纵模运转。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 窄线宽光纤激光器的研究意义及其应用

1．2．1 相干光通信

1．2．2 长距离及超长距离光纤传感系统

1．2．3 光载无线通信系统

1．2．4 多普勒激光雷达

1．2．5 光谱分析

1．3 国内外窄线宽光纤激光器的发展现状

1．3．1 掺Er3+窄线宽光纤激光器的发展现状

1．3．2 掺Tm3+窄线宽光纤激光器的发展现状

1．4 窄线宽光纤激光器的技术方案及其关键技术

1．4．1 实现窄线宽光纤激光器的常用方案

1．4．2 实现窄线宽光纤激光器常用方案比较

1．4．3 实现窄线宽光纤激光器的关键技术

1．5 本论文的主要研究内容和成果

参考文献

第二章 基于光纤光栅的超窄带滤波器件的理论与实验研究

2．1 引言

2．2 光纤光栅的耦合模理论

2．2．1 光纤光栅谐振条件

2．2．2 光纤光栅耦合模理论

2．3 光纤布拉格光栅法布里-珀罗标准具

2．3．1 光纤布拉格光栅法布里-珀罗标准具的数值仿真

2．3．2 光纤布拉格光栅法布里-珀罗标准具的实验制作

2．4 相移光纤光栅

2．4．1 相移光纤光栅数值仿真

2．4．2 相移光纤光栅的实验制作

2．5 啁啾莫尔光纤光栅

2．5．1 啁啾莫尔光纤光栅数值仿真

2．5．2 啁瞅莫尔光纤光栅的实验制作

2．6 光纤光栅的实验室制作

2．7 小结

参考文献

第三章 基于窄带滤波器的石英基单频窄线宽掺Er3+光纤激光器研究

3．1 引言

3．2 基于饱和吸收体的线形腔掺Er3+光纤激光器

3．2．1 实验装置

3．2．2 光纤饱和吸收体基本原理

3．2．3 实验结果及分析

3．3 基于饱和吸收体的单偏振、单频线形腔掺Er3+光纤激光器

3．3．1 实验装置

3．3．2 实验结果及分析

3．3．3 线宽测量与分析

3．4 用于微波光子生成的可调双波长环形腔掺Er3+光纤激光器

3．4．1 实验装置

3．4．2 实验结果及分析

3．4．3 双波长光纤激光器光生微波原理与实验验证

3．5 激光器线宽测试原理与实验研究

3．5．1 激光器线宽展宽因素

3．5．2 线宽测试原理与方案

3．6 本章小结

参考文献

第四章 DFB掺Er3+光纤激光器理论与实验研究

4．1 引言

4．2 DFB掺Er3+光纤激光器理论分析及其仿真

4．2．1 DFB掺Er3+光纤激光器理论分析

4．2．2 DFB掺Er3+光纤激光器数值仿真结果及分析

4．3 大有效面积高浓度掺Er3+光纤制作及光栅写制技术

4．3．1 大有效面积高浓度掺Er3+光纤的制作

4．3．2 大有效面积高浓度掺Er3+光纤的光栅写制

4．4 DFB光纤激光器输出特性分析

4．5 小结

参考文献

第五章 连续波石英基单频掺Tm3+光纤激光器理论与实验研究

5．1 引言

5．2 连续波掺Tm3+光纤激光器理论分析

5．2．1 3H6-3H4泵浦方式

5．2．2 3H6-3H5泵浦方式

5．2．3 3H6-3F4泵浦方式

5．3 1．9μm单横模掺铥石英基双包层光纤激光器

5．3．1 实验结构

5．3．2 实验结果及讨论

5．4 基于相移光纤光栅滤波器的线形腔掺Tm3+光纤激光器

5．4．1 实验结构

5．4．2 实验结果与讨论

5．5 基于相移光纤光栅滤波器的环形腔掺Tm3+光纤激光器

5．5．1 实验结构

5．5．2 实验结果与讨论

5．6 基于啁啾莫尔光纤光栅滤波器的可调谐掺Tm3+光纤激光器

5．6．1 实验结构

5．6．2 实验结果与讨论

5．7 小结

参考文献

第六章 结束语

6．1 本文主要研究内容与成果

6．2 下一步拟开展的研究工作

作者简历

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