基于摻鉺光纖和光纖拉曼放大機(jī)理的光纖激光器實(shí)驗(yàn)與理論研究.pdf

1、隨著光纖通訊技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，能夠與光纖兼容的光纖器件得到了廣泛而深入地研究，其中光纖激光器由于其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活和光纖兼容等方面的優(yōu)點(diǎn)，以及在光纖通訊系統(tǒng)、光纖傳感、光譜分析、微波信號(hào)產(chǎn)生等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景，吸引了廣大研究者的興趣。然而，由于目前用于光纖激光器的許多增益機(jī)制在功率轉(zhuǎn)換效率、輸出穩(wěn)定性或者輸出譜寬等方面都有各自不同的內(nèi)在缺點(diǎn)，限制了它們的性能和應(yīng)用。 本文針對(duì)用于光纖激光器的兩種不同增益介質(zhì)—

2、—摻鉺光纖和拉曼光纖，以摻鉺光纖放大器為切入點(diǎn)，在深入研究了這兩種光纖放大器的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)以多波長(zhǎng)為主的光纖激光器做了較為系統(tǒng)、深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。 具體而言，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面系統(tǒng)地研究了摻鉺光纖放大器；研究了多波長(zhǎng)激光原理和多波長(zhǎng)濾波器；研究了光纖拉曼多波長(zhǎng)激光器：分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型的、應(yīng)用于多波長(zhǎng)光纖激光器的摻鉺光纖和光纖拉曼的混合增益機(jī)制。理論上預(yù)期，該機(jī)制能夠使室溫下?lián)?/p>

3、鉺光纖放大內(nèi)在的增益競(jìng)爭(zhēng)得到很好的抑制，因而可以獲得穩(wěn)定多波長(zhǎng)運(yùn)行，并且同時(shí)具有摻鉺光纖的高功率轉(zhuǎn)換效率、低激光器閾值的優(yōu)點(diǎn)。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于該增益機(jī)制的、室溫下能夠高穩(wěn)定性、高信噪比、功率均衡運(yùn)行的多波長(zhǎng)光纖激光器。并在理論上進(jìn)一步分析和模擬了該混合機(jī)制的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，理論結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)表明，該混合機(jī)制并不同于兩種增益機(jī)制簡(jiǎn)單的組合?；谙嗤脑?，本文也實(shí)驗(yàn)研究了我們所提出的混合增益機(jī)制在主動(dòng)鎖模脈沖光纖激光器中的應(yīng)用，

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明該混合增益機(jī)制同樣能夠有效的抑制模式噪聲。另外也介紹了與本文課題關(guān)系密切的一些實(shí)驗(yàn)研究和設(shè)備制作過(guò)程，如基于鉍基摻鉺光纖的寬帶ASE(放大自發(fā)輻射)光源的制作。主要內(nèi)容如下： 首先在緒論中分別簡(jiǎn)要介紹了激光器、光纖激光器的歷史和現(xiàn)狀；重點(diǎn)介紹了多波長(zhǎng)光纖激光器的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，特別對(duì)于摻鉺光纖、拉曼光纖、半導(dǎo)體泵浦光源、譜濾波器等關(guān)鍵器件的研究現(xiàn)狀作了綜述；介紹了基于摻鉺光纖放大、光纖拉曼散射、光纖布里淵散射和半

5、導(dǎo)體光放大器等不同的增益機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)；最后討論了多波長(zhǎng)光纖激光器面臨的問(wèn)題。 第二，系統(tǒng)地介紹了摻鉺光纖放大器的基本理論；介紹和推導(dǎo)了摻鉺光纖放大器的基本理論模型；介紹了摻鉺光纖基本參數(shù)的測(cè)量測(cè)試方法；提出并實(shí)驗(yàn)研究了一種新型結(jié)構(gòu)的低噪聲、高增益摻鉺光纖放大器；研究了鉍基摻鉺光纖的特性，實(shí)驗(yàn)研究了一種基于鉍基摻鉺光纖的寬帶ASE光源。 第三，對(duì)影響激光器多模振蕩穩(wěn)定的介質(zhì)增益和損耗屬性，如譜線展寬機(jī)制、增益飽和、模式

6、競(jìng)爭(zhēng)等概念，作了系統(tǒng)地分析；介紹了激光器多模振蕩的速率方程；以Sagnac環(huán)形濾波器為代表，理論和實(shí)驗(yàn)分析了F-P諧振腔、譜濾波器等構(gòu)成多波長(zhǎng)光纖激光器的關(guān)鍵器件。 第四，系統(tǒng)地從理論上介紹了光纖拉曼受激散射的增益機(jī)制，以及四波混頻等非線性效應(yīng)的影響，從半經(jīng)典電磁理論出發(fā)，推導(dǎo)了它們的基本耦合方程，對(duì)一些重要的基本參數(shù)的測(cè)量方法和測(cè)試過(guò)程作了介紹，提出并實(shí)驗(yàn)研究了基于光子晶體光纖Sagnac環(huán)形濾波器的光纖拉曼多波長(zhǎng)激光器。

7、 第五，該部分包括了本文的主要工作內(nèi)容和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)比較了摻鉺光纖和拉曼光纖增益特性的不同和對(duì)多波長(zhǎng)激光器輸出的影響；進(jìn)而提出了基于摻鉺光纖和光纖拉曼混合增益機(jī)制，進(jìn)行了針對(duì)基于該混合增益機(jī)制的多波長(zhǎng)光纖激光器實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明，該混合機(jī)制并不是兩種放大器簡(jiǎn)單的組合，摻鉺光纖在增益中起主導(dǎo)作用，而拉曼光纖對(duì)輸出光功率的貢獻(xiàn)要小很多；以已經(jīng)獲得的實(shí)驗(yàn)證據(jù)為基礎(chǔ)，理論分析和模擬了該混合增益機(jī)制支持穩(wěn)定多波長(zhǎng)運(yùn)行的機(jī)理，獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)

8、果一致的結(jié)論；介紹了不同實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和研究過(guò)程，并進(jìn)一步提出了波長(zhǎng)間隔可調(diào)、輸出波長(zhǎng)范圍可控的的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法。 第六、介紹了摻鉺光纖和光纖拉曼混合增益機(jī)制在主動(dòng)鎖模光纖激光器的應(yīng)用研究，實(shí)驗(yàn)證明該混合增益機(jī)制同樣能夠有效抑制摻鉺光纖主動(dòng)鎖模激光器的超模噪聲。 最后，對(duì)本文的內(nèi)容作了總結(jié)，分析了多波長(zhǎng)光纖激光器的趨勢(shì)，提出了展望，指出在拉曼增益特性等方面可能的研究方向。 總之，本論文圍繞多波長(zhǎng)光纖激光器的研究熱點(diǎn)