【摘要】：作為人類科技進(jìn)步的重要見證者,激光器從誕生伊始就始終參與到前沿應(yīng)用之中。從世界上最精密的干涉儀“LIGO”到世界上最精準(zhǔn)的鐘“鍶原子光晶格鐘”,這些前沿應(yīng)用中更是不乏單頻激光器的身影。作為線寬最窄,噪聲最低的一種激光器,單頻光纖激光器更是在激光雷達(dá),原子分子物理,太赫茲產(chǎn)生,微波光子學(xué),量子光學(xué),相干通信等前沿領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)晤l光纖激光器提出了各自獨(dú)特的性能指標(biāo)要求,比如激光雷達(dá)領(lǐng)域多需要脈沖形式輸出的單頻光纖激光器,對于單頻線寬的要求相對較低;引力波探測以及原子分子物理領(lǐng)域往往對單頻激光的線寬和噪聲要求更高,但并不需要脈沖輸出;太赫茲以及微波光子學(xué)領(lǐng)域則更在意不同波長單頻之間的相位關(guān)系。目前主流的商業(yè)化單頻光纖激光器多采用分布式布拉格反射(distributed Bragg reflector,DBR)結(jié)構(gòu)和分布式反饋(distributed feedback,DFB)結(jié)構(gòu),這兩類單頻光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊,可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的kHz線寬單頻激光輸出。但商用產(chǎn)品提供的功能和參數(shù)相對單一,很難同時(shí)滿足復(fù)雜多樣的應(yīng)用需求。本課題致力于研究更加通用可靠的單頻光纖激光器,以滿足不同的前沿應(yīng)用需求。DBR結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器具有結(jié)構(gòu)更簡單,通用性更好,能量轉(zhuǎn)換效率更高等特點(diǎn),因此采用該結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)單頻光纖激光器。相較于商用DBR單頻光纖激光器中采用特殊的高摻雜,低熔點(diǎn)的軟玻璃作為增益介質(zhì),本文主要采用商用石英摻雜光纖作為增益介質(zhì),盡管可能會出現(xiàn)自脈沖以及增益不足等問題,但是該光纖不存在軟玻璃光纖與石英光纖熔接溫度不同的問題,并且可從市場中購得,因此全石英結(jié)構(gòu)的DBR單頻光纖激光器機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性更佳,環(huán)境適應(yīng)性更好,實(shí)現(xiàn)方式更簡便。在此基礎(chǔ)之上,本文又分別對低噪聲,脈沖以及雙波長單頻光纖激光器進(jìn)行研究,以滿足不同前沿領(lǐng)域的應(yīng)用需求。本論文的具體研究工作主要分為以下幾個方面:1.DBR單頻光纖激光器理論分析及核心器件設(shè)計(jì)制備分析不同摻雜粒子在石英光纖中的譜線特性,選擇合適的增益光纖以及泵浦方式,實(shí)現(xiàn)盡可能高的增益。通過對自脈沖的起源分析可知,馳豫振蕩在其中扮演十分重要的作用。建立速率方程求解馳豫振蕩過程中光子數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系,對比關(guān)系式中各類參數(shù)可知,提高腔內(nèi)光子壽命以及泵浦功率可以抑制馳豫振蕩的強(qiáng)度,從根本上抑制自脈沖產(chǎn)生。針對這一結(jié)論,利用光纖光柵反射光譜仿真模型,在保證單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,可模擬出用于輸出耦合的光纖光柵反射率最高為85%~90%,結(jié)合反射率為99%的高反光纖光柵,可在最大程度上抑制自脈沖的發(fā)生,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的單頻光纖激光器。2.應(yīng)用于引力波探測的全石英光纖連續(xù)DBR單頻激光器采用優(yōu)化參數(shù)后制備的不同波段的光纖光柵,最終分別實(shí)現(xiàn)了1μm,1.5μm以及2μm波段穩(wěn)定連續(xù)的單頻光纖激光器,所有波段的單頻光纖激光器均未出現(xiàn)自脈沖現(xiàn)象,這也在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了以上結(jié)論。不同波段的單頻光纖激光器中采用的增益光纖均為普通商用石英摻雜光纖,盡管增益相對較低,但是結(jié)合自主刻寫的低損耗光纖光柵,依然可實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射,所有波段的單頻線寬均小于10kHz。與國外課題組合作,研發(fā)用于新一代引力波探測的高功率2μm單頻光纖激光器樣機(jī),已在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了160W的單頻激光輸出,線寬小于10kHz,并在國外搭建起一套5W的2μm單頻光纖激光器用于前期的測試。3.應(yīng)用于高精度探測的高功率低噪聲單頻光纖激光器分析單頻光纖激光器強(qiáng)度噪聲,頻率噪聲的來源與特性,利用無源光學(xué)反饋回路對已有的單頻光纖激光器強(qiáng)度噪聲,頻率噪聲進(jìn)行抑制,壓縮激光線寬。其中相對強(qiáng)度噪聲的馳豫振蕩強(qiáng)度從-99.9dB/Hz@993kHz降低至-119.4dB/Hz@192kHz,頻率噪聲強(qiáng)度在10kHz到100kHz范圍內(nèi)降低了30dB,激光線寬從3.96kHz壓縮至540Hz。在經(jīng)光纖放大器放大至10W后,強(qiáng)度噪聲,頻率噪聲沒有明顯升高,激光線寬依然小于1kHz。4.應(yīng)用于激光雷達(dá)的一體化增益開關(guān)單頻光纖激光器利用增益開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)重頻可調(diào)的一體化脈沖單頻光纖激光器。采用電調(diào)制的975nm單模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,輸出泵浦同時(shí)具有脈沖成分和直流成分,直流部分的功率略低于激光器閾值,以此來減少對脈沖泵浦能量的要求,因此該激光器可以實(shí)現(xiàn)低泵浦功率下的脈沖單頻激光輸出,輸出脈寬150ns,激光線寬14MHz,依據(jù)外部觸發(fā)信號可實(shí)現(xiàn)重頻從10kHz到400kHz調(diào)諧。5.應(yīng)用于高頻微波產(chǎn)生的保偏雙波長單頻光纖激光器采用保偏疊印光纖布拉格光柵作為雙波長選擇器件,可在同一光纖激光器中同時(shí)輸出雙波長單頻激光。兩個縱模具有相同的偏振態(tài),偏振消光比大于20dB,兩者的光譜強(qiáng)度相同,光譜信噪比大于60dB。在同一諧振腔內(nèi)經(jīng)歷相同的路徑和光程,兩個縱模將具有很好的相干性以及相同的噪聲成分,拍頻過程中相同的噪聲成分會被抵消,由此產(chǎn)生低相位噪聲和高穩(wěn)定性的微波信號,微波信號的中心頻率為28.4474GHz,頻譜信噪比高于65dB,頻譜信號線寬500Hz,一個小時(shí)內(nèi)頻率波動的標(biāo)準(zhǔn)偏差為58.592 kHz。
【圖文】：

圖 1-1 DBR 單頻光纖激光器示意圖[36]Fig.1-1 Schematic setup of DBR single-frequency fiber laser[36]1991 年美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的 Ball 等人[37]利用一對光纖布拉格光柵（FBG）和一段 0.5m 長摻 Er3+增益光纖，首次實(shí)現(xiàn)了 DBR 結(jié)構(gòu)的光纖單頻激光輸出，其中輸出中心波長 1548 nm，輸出功率 5mw，光譜線寬 47kHz。2004 年美國 NP Photonics 公司的 Spiegelberg 等人[38]采用鉺鐿共摻磷酸鹽光纖與一對高低反布拉格光纖光柵組成的 DBR 激光器，如圖 1-2 所示，實(shí)現(xiàn)了中心波長為 1550nm 的激光輸出，采用負(fù)反饋裝置，在 1MHz 頻率處的相對強(qiáng)度噪聲實(shí)現(xiàn)了 20dB 的抑制，降低至-130dB/Hz，最大輸出功率 100mw，，光譜線寬小于 2kHz。

圖 1-1 DBR 單頻光纖激光器示意圖[36] Schematic setup of DBR single-frequency fib技術(shù)研究中心的 Ball 等人[37]利用一對+增益光纖，首次實(shí)現(xiàn)了 DBR 結(jié)構(gòu)的8 nm，輸出功率 5mw，光譜線寬 47k Photonics 公司的 Spiegelberg 等人[38]采格光纖光柵組成的 DBR 激光器，如圖激光輸出，采用負(fù)反饋裝置，在 1MH制，降低至-130dB/Hz，最大輸出功率
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN248

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2650428