非線性偏振旋轉(zhuǎn)型超短脈沖及多波長光纖激光器.pdf

1、低損光纖制備技術(shù)的進步推動了光纖激光技術(shù)的高速發(fā)展。20世紀90年代，一種利用光纖作為波導介質(zhì)、利用光纖的非線性偏振旋轉(zhuǎn)特性產(chǎn)生可飽和吸收效應的新型光纖鎖模激光器-非線性偏振旋轉(zhuǎn)型鎖模光纖激光器誕生了。光纖傳輸、新型鎖模技術(shù)的特性以及相比于傳統(tǒng)固體激光器極小的體積和較低的成本，使此激光器在近20年中吸引了大量的注意力，并取得了長足發(fā)展。如今，通過合理的設計，偏振旋轉(zhuǎn)型光纖激光器在超短脈沖寬度、脈沖峰值功率、單脈沖能量、脈沖重復率等各項技

2、術(shù)指標上都在快速逼近傳統(tǒng)固體激光器，在通信、傳感、生物、醫(yī)療、工業(yè)制造等領域顯示出了巨大的潛能。因此，開展對鎖模光纖激光器的研究有重要的應用價值。另一方面，研究光纖鎖模激光器對推動非線性光纖光學基礎研究的發(fā)展有顯著作用。激光諧振腔的反饋作用使腔內(nèi)光場具有遠高于腔外光場的功率水平，因此腔內(nèi)光場更容易達到多種光纖非線性效應的閾值條件，使得這些非線性現(xiàn)象在激光腔中更容易發(fā)生，因此便于對它們進一步的研究。至今，多種孤子現(xiàn)象的理論預言在此激光器中

3、得到了驗證，在此激光器中還觀測到很多有趣的其它非線性現(xiàn)象，如低閾值超連續(xù)譜產(chǎn)生?？梢姡_展對此鎖模光纖激光器的研究，有推動學科發(fā)展和應用進步的雙重意義。
　　由于色散、非線性以及偏振效應的影響，光在激光器的波導介質(zhì)-光纖中的傳輸特性非常豐富。加上激光腔作用的共同影響，使對于此激光器的分析十分復雜。目前，并無描述激光腔內(nèi)的光場傳輸精確解析解，數(shù)值方法是模擬激光器運轉(zhuǎn)的主要手段。因此，建立合適的分析模型，對深入理解激光器的工作原理，和

4、進一步優(yōu)化激光器的性能，有至關重要的作用。本論文利用激光腔傳輸?shù)慕平饪偨Y(jié)出一種圖形分析方法。通過驗證，我們發(fā)現(xiàn)此方法可以快捷地對激光器現(xiàn)象進行分析，并找到其物理起源。以此方法為基礎結(jié)合數(shù)值模擬方法，對激光器的脈沖寬度與工作波長的可調(diào)諧性進行了總結(jié)和分析，并隨后設計出常溫下穩(wěn)定工作的雙波長及多波長激光器。具體取得的主要科研成果如下：
　　第一，求解出激光腔內(nèi)透射系數(shù)的近似解，以此近似解總結(jié)出關于透射系數(shù)的圖形分析方法，并以此方法驗

5、證性地解釋了多種激光器特性的物理起源，如泵浦時滯效應。區(qū)別于傳統(tǒng)固體激光器利用克爾透鏡或可飽和吸收效應鎖模，非線性偏振旋轉(zhuǎn)激光器是依賴于光在光纖中傳輸過程中的偏振旋轉(zhuǎn)對光強的不均勻性來實現(xiàn)鎖模的一種技術(shù)。由于工作機制的復雜性，目前缺乏簡單而有效的方法來分析此激光器各種激光現(xiàn)象的物理機制。因此，建立合適的分析模型，對理解激光器的工作原理和對其進行優(yōu)化設計顯得十分重要。由于光纖傳輸?shù)膹碗s性使激光振蕩不能解析表示，為了得到近似解，分步考慮光在

6、光纖中傳輸過程中的色散及非線性因素。首先，通過忽略光纖色散，可以結(jié)合光纖傳輸過程與激光腔的反饋作用進行分析，從而得到了激光腔的透射率曲線。此時，光纖色散的影響和激光器控制元件的影響均可以對應于激光器狀態(tài)在曲線上的游走。由于此，方向從簡單的圖形分析就可以描繪激光器的工作原理，稱之為圖形分析方法。此方法同時考慮到了光纖傳輸、腔體及控制器件的共同影響，因此可以快捷而精確地分析在激光器各種工作狀態(tài)的物理機制，并可依據(jù)分析結(jié)果對激光器優(yōu)化設計。用

7、此方法，對一些激光器中的現(xiàn)象進行了分析，發(fā)現(xiàn)可以快速得到和前人用較復雜的方法類似的分析結(jié)果，從而證實了它的有效性。
　　第二，研究了此激光器輸出脈沖形狀的可調(diào)諧性，分析了可調(diào)諧性產(chǎn)生的原因，和主要影響激光器鎖模峰值功率及脈寬的因素。脈沖可調(diào)諧性是激光器在多種實際應用中的重要指標。在實驗中發(fā)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)光纖激光器在進入鎖模狀態(tài)之后，其輸出脈沖的形狀可以簡單地通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)的偏振控制器進行調(diào)節(jié)。數(shù)值模擬同樣證明：當偏振控制器引入的線性時延

8、差在某一特定范圍內(nèi)改變時，激光器輸出脈沖的峰值功率隨其呈單調(diào)性變化?？偨Y(jié)的圖形分析方法解釋了這種調(diào)諧性的物理起因：此激光器的透射率隨腔內(nèi)光功率的增加呈正弦型周期性振蕩，這種非線性的損耗特性限制了激光器中振蕩光場的峰值功率，使峰值功率由其對應在曲線上的初始狀態(tài)決定。由于此初始狀態(tài)可以通過調(diào)節(jié)偏振控制器而改變，因此在調(diào)節(jié)偏振控制器的過程中脈沖形狀會隨之變化。
　　第三，總結(jié)了激光器的振蕩波長在調(diào)諧過程中表現(xiàn)出波長分裂、雙波長振蕩、波長

9、漂移等多種波長動態(tài)變化特性，并分析解釋了其物理起源。作為光纖通信、光傳感等對波長十分敏感的實際應用的潛力光源，靈活調(diào)節(jié)或準確控制激光器工作波長的能力顯得十分重要。然而，至今對非線性偏振旋轉(zhuǎn)激光器的工作波長相關特性的研究還非常少，目前只有關于脈沖中心波長的可調(diào)諧性的相關報導。但是在實驗中發(fā)現(xiàn)，在進行激光器調(diào)諧過程中，工作波長的變化動態(tài)遠遠比己報道的結(jié)果豐富：發(fā)現(xiàn)激光器不僅在某一工作狀態(tài)下具有波長可調(diào)節(jié)諧，在不同工作態(tài)間切換時，還有波長分裂

10、，波長跳躍等一系列有趣的波長變化過程。深入理解這些現(xiàn)象的物理機制不僅對進一步深入理解激光器的工作原理有重要作用，同樣對設計波長可控制的單波長激光器，及雙波長、多波長激光器的有指導意義。發(fā)現(xiàn)激光器的多種波長變化動態(tài)特性來源于激光器中光纖波導的色散。在某一特定的功率水平下，激光腔對不同波長的光波的透射率并不相同，且此種激光器透射率的色散曲線也呈正弦型變化。于是，激光器的振蕩波長由增益譜線和透射譜線共同決定。當正弦型的透射譜線隨激光器的調(diào)諧發(fā)

11、生改變時，激光器的振蕩波長被重新選擇，從而表現(xiàn)出多種激光頻譜的變化。使用圖形分析結(jié)合考慮光纖色散因素，可以很好地解釋激光器在調(diào)諧過程中的各種變化情況，對波長動態(tài)做出了較為完整的總結(jié)和分析。
　　第四，實現(xiàn)了一種混合輸出的雙波長激光器，并通過分析指出了雙波長振蕩是偏振旋轉(zhuǎn)型光纖激光器的本質(zhì)特征這一結(jié)論。同一激光器同時在雙波長或多波長工作一直是激光器領域讓人感興趣的話題。為了實現(xiàn)這種多波長工作，通常研究者會往激光腔中加入一些濾波元件，

12、迫使激光器只能在選定的波長振蕩。但在實驗中發(fā)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)型光纖激光器可以不使用任何濾波器件而實現(xiàn)這種雙波長振蕩。這種雙波長振蕩包括雙波長連續(xù)光工作狀態(tài)以及連續(xù)光和脈沖光的混合雙波長工作狀態(tài)。此外，發(fā)現(xiàn)這種混合態(tài)具有開關特性，即可以選擇性地在雙波長之中的一個波長形成鎖模脈沖。圖形分析給出了這種雙波長振蕩的是由激光腔透射率色散的單調(diào)性變化引起的，且證明這種雙波長振蕩是此激光器的一種內(nèi)在性質(zhì)。數(shù)值模擬證明激光器的波長由增益譜形和損耗譜形共同決定

13、，并得到雙波長的位置同時由增益譜的形狀及腔內(nèi)的雙折射強度決定的結(jié)果。
　　第五，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)了若干個具有信道間隔及工作波長雙重調(diào)諧能力的常溫多波長摻鉺光纖激光器?，F(xiàn)代密集波分復用光纖通信系統(tǒng)提出了對穩(wěn)定的、可調(diào)諧的多波長激光器的需求。目前多波長激光器主要在以非均勻加寬的半導體激光器腔內(nèi)加入梳狀濾波器件實現(xiàn)。摻鉺光纖提供了更優(yōu)的增益能力，但由于其均勻加寬特性，鄰近的振蕩波長競爭強烈，因此不能簡單地通過在摻鉺光纖激光器中