非線性偏振旋轉(zhuǎn)型超短脈沖及多波長(zhǎng)光纖激光器.pdf

1、低損光纖制備技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了光纖激光技術(shù)的高速發(fā)展。20世紀(jì)90年代，一種利用光纖作為波導(dǎo)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(yīng)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(zhǎng)足發(fā)展。如今，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，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(fù)率等各項(xiàng)技

2、術(shù)指標(biāo)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(lǐng)域顯示出了巨大的潛能。因此，開展對(duì)鎖模光纖激光器的研究有重要的應(yīng)用價(jià)值。另一方面，研究光纖鎖模激光器對(duì)推動(dòng)非線性光纖光學(xué)基礎(chǔ)研究的發(fā)展有顯著作用。激光諧振腔的反饋?zhàn)饔檬骨粌?nèi)光場(chǎng)具有遠(yuǎn)高于腔外光場(chǎng)的功率水平，因此腔內(nèi)光場(chǎng)更容易達(dá)到多種光纖非線性效應(yīng)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(duì)它們進(jìn)一步的研究。至今，多種孤子現(xiàn)象的理論預(yù)言在此激光器中

3、得到了驗(yàn)證，在此激光器中還觀測(cè)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。可見(jiàn)，開展對(duì)此鎖模光纖激光器的研究，有推動(dòng)學(xué)科發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)步的雙重意義。
　　由于色散、非線性以及偏振效應(yīng)的影響，光在激光器的波導(dǎo)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(duì)于此激光器的分析十分復(fù)雜。目前，并無(wú)描述激光腔內(nèi)的光場(chǎng)傳輸精確解析解，數(shù)值方法是模擬激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的主要手段。因此，建立合適的分析模型，對(duì)深入理解激光器的工作原理，和

4、進(jìn)一步優(yōu)化激光器的性能，有至關(guān)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(guò)驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)此方法可以快捷地對(duì)激光器現(xiàn)象進(jìn)行分析，并找到其物理起源。以此方法為基礎(chǔ)結(jié)合數(shù)值模擬方法，對(duì)激光器的脈沖寬度與工作波長(zhǎng)的可調(diào)諧性進(jìn)行了總結(jié)和分析，并隨后設(shè)計(jì)出常溫下穩(wěn)定工作的雙波長(zhǎng)及多波長(zhǎng)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(guān)于透射系數(shù)的圖形分析方法，并以此方法驗(yàn)

5、證性地解釋了多種激光器特性的物理起源，如泵浦時(shí)滯效應(yīng)。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(yīng)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(guò)程中的偏振旋轉(zhuǎn)對(duì)光強(qiáng)的不均勻性來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模的一種技術(shù)。由于工作機(jī)制的復(fù)雜性，目前缺乏簡(jiǎn)單而有效的方法來(lái)分析此激光器各種激光現(xiàn)象的物理機(jī)制。因此，建立合適的分析模型，對(duì)理解激光器的工作原理和對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分重要。由于光纖傳輸?shù)膹?fù)雜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(guò)程中的色散及非線性因素。首先，通過(guò)忽略光纖色散，可以結(jié)合光纖傳輸過(guò)程與激光腔的反饋?zhàn)饔眠M(jìn)行分析，從而得到了激光腔的透射率曲線。此時(shí)，光纖色散的影響和激光器控制元件的影響均可以對(duì)應(yīng)于激光器狀態(tài)在曲線上的游走。由于此，方向從簡(jiǎn)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(shí)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(jī)制，并可依據(jù)分析結(jié)果對(duì)激光器優(yōu)化設(shè)計(jì)。用

7、此方法，對(duì)一些激光器中的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)可以快速得到和前人用較復(fù)雜的方法類似的分析結(jié)果，從而證實(shí)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(shí)際應(yīng)用中的重要指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)光纖激光器在進(jìn)入鎖模狀態(tài)之后，其輸出脈沖的形狀可以簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的偏振控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。數(shù)值模擬同樣證明：當(dāng)偏振控制器引入的線性時(shí)延

8、差在某一特定范圍內(nèi)改變時(shí)，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(chǎng)的峰值功率，使峰值功率由其對(duì)應(yīng)在曲線上的初始狀態(tài)決定。由于此初始狀態(tài)可以通過(guò)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(guò)程中脈沖形狀會(huì)隨之變化。
　　第三，總結(jié)了激光器的振蕩波長(zhǎng)在調(diào)諧過(guò)程中表現(xiàn)出波長(zhǎng)分裂、雙波長(zhǎng)振蕩、波長(zhǎng)

9、漂移等多種波長(zhǎng)動(dòng)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(duì)波長(zhǎng)十分敏感的實(shí)際應(yīng)用的潛力光源，靈活調(diào)節(jié)或準(zhǔn)確控制激光器工作波長(zhǎng)的能力顯得十分重要。然而，至今對(duì)非線性偏振旋轉(zhuǎn)激光器的工作波長(zhǎng)相關(guān)特性的研究還非常少，目前只有關(guān)于脈沖中心波長(zhǎng)的可調(diào)諧性的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行激光器調(diào)諧過(guò)程中，工作波長(zhǎng)的變化動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比己報(bào)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(zhǎng)可調(diào)節(jié)諧，在不同工作態(tài)間切換時(shí)，還有波長(zhǎng)分裂

10、，波長(zhǎng)跳躍等一系列有趣的波長(zhǎng)變化過(guò)程。深入理解這些現(xiàn)象的物理機(jī)制不僅對(duì)進(jìn)一步深入理解激光器的工作原理有重要作用，同樣對(duì)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)可控制的單波長(zhǎng)激光器，及雙波長(zhǎng)、多波長(zhǎng)激光器的有指導(dǎo)意義。發(fā)現(xiàn)激光器的多種波長(zhǎng)變化動(dòng)態(tài)特性來(lái)源于激光器中光纖波導(dǎo)的色散。在某一特定的功率水平下，激光腔對(duì)不同波長(zhǎng)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(zhǎng)由增益譜線和透射譜線共同決定。當(dāng)正弦型的透射譜線隨激光器的調(diào)諧發(fā)

11、生改變時(shí)，激光器的振蕩波長(zhǎng)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(guò)程中的各種變化情況，對(duì)波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)做出了較為完整的總結(jié)和分析。
　　第四，實(shí)現(xiàn)了一種混合輸出的雙波長(zhǎng)激光器，并通過(guò)分析指出了雙波長(zhǎng)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(shí)在雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)工作一直是激光器領(lǐng)域讓人感興趣的話題。為了實(shí)現(xiàn)這種多波長(zhǎng)工作，通常研究者會(huì)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(zhǎng)振蕩。但在實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)這種雙波長(zhǎng)振蕩。這種雙波長(zhǎng)振蕩包括雙波長(zhǎng)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(zhǎng)工作狀態(tài)。此外，發(fā)現(xiàn)這種混合態(tài)具有開關(guān)特性，即可以選擇性地在雙波長(zhǎng)之中的一個(gè)波長(zhǎng)形成鎖模脈沖。圖形分析給出了這種雙波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)由增益譜形和損耗譜形共同決定

13、，并得到雙波長(zhǎng)的位置同時(shí)由增益譜的形狀及腔內(nèi)的雙折射強(qiáng)度決定的結(jié)果。
　　第五，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了若干個(gè)具有信道間隔及工作波長(zhǎng)雙重調(diào)諧能力的常溫多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器。現(xiàn)代密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)提出了對(duì)穩(wěn)定的、可調(diào)諧的多波長(zhǎng)激光器的需求。目前多波長(zhǎng)激光器主要在以非均勻加寬的半導(dǎo)體激光器腔內(nèi)加入梳狀濾波器件實(shí)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(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)烈，因此不能簡(jiǎn)單地通過(guò)在摻鉺光纖激光器中