摻鉺光纖增益的光纖隨機(jī)激光器：理論與實(shí)驗(yàn).pdf

1、光纖隨機(jī)激光器對(duì)于基礎(chǔ)激光物理、隨機(jī)散射和單模窄線寬光纖激光器的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。有效的利用隨機(jī)激光器的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、窄線寬和低頻率噪聲等來(lái)改進(jìn)和提升現(xiàn)有光纖激光器的結(jié)構(gòu)和性能，將會(huì)對(duì)高速大容量光纖通信系統(tǒng)、長(zhǎng)距離光纖傳感和激光成像等領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供重要的保障。本論文的主要工作是基于摻鉺光纖(EDF)增益的光纖隨機(jī)激光器的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究，主要的研究方向?yàn)槔霉饫w隨機(jī)激光器的優(yōu)勢(shì)提升光纖激光器性能，同時(shí)

2、在理論分析和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不斷深入和完善對(duì)于光纖隨機(jī)激光器本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，大部分工作均處于該領(lǐng)域的前沿。
　　本文的主要研究成果與創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)在對(duì)光纖中瑞利散射（RS）的本質(zhì)起源和基于瑞利散射光纖隨機(jī)激光器原理的充分認(rèn)識(shí)和理解的基礎(chǔ)上，提出了一種利用增強(qiáng)瑞利散射實(shí)現(xiàn)光纖隨機(jī)激光器的改進(jìn)方案。在改進(jìn)的線型激光器結(jié)構(gòu)中僅用500 m光纖作為隨機(jī)反饋實(shí)現(xiàn)了3 dB平均線寬為3.5 kHz的波長(zhǎng)可調(diào)單模隨機(jī)激光輸出。目前有報(bào)道

3、的超短隨機(jī)激光器中光纖長(zhǎng)度為560 m。該反饋光纖由本實(shí)驗(yàn)室自行拉制，其前向損耗為0.54 dB/km。
　　(2)針對(duì)瑞利光纖隨機(jī)激光器中大量隨機(jī)模式增益競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的強(qiáng)度噪聲過(guò)高的問(wèn)題，首次提出了一種利用CO2激光引入光纖隨機(jī)折射率調(diào)制實(shí)現(xiàn)隨機(jī)反饋的光纖隨機(jī)激光器方案，實(shí)現(xiàn)了消光比為59 dB，3 dB平均線寬為2.4 kHz的單模窄線寬激光器，且在1549.722-1550.226nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)可調(diào)諧。該方案保留了隨機(jī)反饋特點(diǎn)的

4、同時(shí)大大減少了反饋光纖長(zhǎng)度和隨機(jī)模式的數(shù)量，一定程度上緩解了隨機(jī)模式之間的增益競(jìng)爭(zhēng)，降低了光纖隨機(jī)激光器的強(qiáng)度噪聲。相比于瑞利光纖隨機(jī)激光器，反饋光纖長(zhǎng)度減少至～10 cm左右，相對(duì)強(qiáng)度噪聲平均降低～20 dB，并且激光器的頻率抖動(dòng)與商用窄線寬光纖激光器為同一數(shù)量級(jí)。
　　(3)首次采用飛秒微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖中的隨機(jī)反饋，制作了單段長(zhǎng)度僅為1 cm的隨機(jī)反饋光纖，隨機(jī)折射率調(diào)制點(diǎn)的間距在10～50μm之間。采用8段不同加工參數(shù)制作

5、得到的隨機(jī)反饋光纖級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)了～2.1 kHz，消光比為～60 dB的單模激光輸出。激光器的頻率噪聲在1kHz以上時(shí)為～1 Hz/Hz1/2，Allen方差為～1.8×10-12。該方法因?yàn)樵谶x模原理上的差異，完全不同于傳統(tǒng)方式的單縱模激光器。同時(shí)該方案兼顧光纖隨機(jī)激光器的頻率噪聲和強(qiáng)度噪聲，與采用穩(wěn)頻電路的商用光纖激光器相比，各項(xiàng)參數(shù)基本持平甚至優(yōu)于商用光纖激光器，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
　　(4)首次提出在光纖

6、隨機(jī)激光器中利用雙折射效應(yīng)引起的偏振態(tài)的隨機(jī)變化來(lái)抑制偏振模式之間的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而得到單偏振的隨機(jī)激光輸出。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)增加反饋光纖中的雙折射實(shí)現(xiàn)了對(duì)低增益偏振模式的有效抑制，實(shí)現(xiàn)了單偏振的隨機(jī)激光輸出。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)抑制部分偏振模式競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步壓窄了光纖隨機(jī)激光器的平均線寬。穩(wěn)定單偏振狀態(tài)下光纖隨機(jī)激光器的3 dB平均線寬達(dá)到了線寬測(cè)試系統(tǒng)的極限分辨率～2.0 kHz，而實(shí)際線寬要小于2 kHz。同時(shí)激光器的強(qiáng)度噪聲在單偏振輸出條件下更低，

7、頻率噪聲也穩(wěn)定在較低水平。該工作是首次在光纖隨機(jī)激光器這一領(lǐng)域?qū)す馄鞯钠裥?yīng)進(jìn)行研究，并且提出了通過(guò)抑制偏振模式競(jìng)爭(zhēng)的方式壓窄光纖隨機(jī)激光器平均線寬。
　　(5)進(jìn)一步揭示了瑞利散射隨機(jī)激光器的本質(zhì)。一般認(rèn)為光纖隨機(jī)激光器是一維隨機(jī)激光器，但是由于光纖波導(dǎo)中的雙折射效應(yīng)，光纖隨機(jī)激光器本質(zhì)上是橫向受限的三維隨機(jī)激光器。首次針對(duì)EDF光纖隨機(jī)激光器建立了一組偏振相關(guān)的速率方程，模型充分考慮了隨時(shí)間變化的隨機(jī)瑞利散射和光纖中偏振相