新型掺铒光纤环形腔双波长激光器及其应用研究

【摘要】掺铒光纤环形腔双波长激光器是以掺铒光纤作为增益媒质、光纤为导光介质、环形腔为谐振腔形式、在同一个激光谐振腔内同时稳定地运行两束波长不同的激光的激光器,具有阈值低、增益带宽宽、线宽窄、调谐范围宽、结构简单紧凑、重量轻等众多优点。掺铒光纤环形腔双波长激光器在通信和传感领域具有广阔的应用前景。本文以以上两个领域为应用背景,对掺铒光纤环形腔双波长激光器的设计展开研究。其中,在通信领域,我们关注的是光学外差法产生高频微波源的研究；而在传感领域,我们的关注点是掺铒光纤环形腔激光陀螺。近年来随着微波光子学的发展,尤其是radioonfiber(ROF)技术的不断进步,人们对微波工作频率提高的需求越来越大。利用光学外差法拍频产生高频率微波信号,是一种光学生成微波信号的手段。掺铒光纤环形腔双波长激光器则是一种很有潜力的光学外差法的激光源。掺铒光纤环形腔激光陀螺是一种将激光陀螺技术和光纤技术结合在一起构成的惯性器件,以掺铒光纤环形腔激光器为敏感元件,通过测量激光器中顺逆时针激光由于Sagnac效应产生的频率差来感知被测量物体的旋转角速度。掺铒光纤环形腔激光陀螺具有重量轻,抗震动性强,灵敏度大,动态范围宽等一系列优点。但是,与普通的激光陀螺一样,在掺铒光纤环形腔激光陀螺的过程中,也遇到频率闭锁和零频漂移等问题。掺铒光纤在室温条件下具有较强的增益均匀加宽效应。作为激光器的增益媒质,当两束激光的波长接近时,增益均匀加宽效应引起交叉增益饱和,将导致激光不能同时稳定地产生振荡；掺铒光纤是固体媒质,激光的反射将在掺铒光纤内引入空间烧孔,导致激光多纵模状态或功率不稳定。因此,掺铒光纤环形腔激光器内同时获得较小波长差的两束激光需要削弱增益均匀加宽效应和空间烧孔效应。本论文的工作主要围绕着掺铒光纤环形腔双波长激光器在通信领域和传感领域的应用展开研究。针对这两种不同的应用背景,我们分别对掺铒光纤环形腔双波长激光器的设计展开研究。1)基于光学外差法产生微波源的研究在这一部分,我们的目标是实现频率可调的微波源。而掺铒光纤环形腔双波长激光器的设计原则实现两束激光工作在单频单纵模状态、相位相关、频率漂移小、波长差在极宽范围内可调、功率稳定。设计了一种两个偏振分束器同偏振端口串联并为每束激光选择相反传输方向的装置,使得环形腔激光器中运行两束相互正交的线偏振光,两束激光传输方向相反,在掺铒光纤内引入激光反向传输,减小增益媒质掺铒光纤中的空间烧孔和两束激光之间的模式竞争,使得两束激光在波长差较小的情况下也可实现同时稳定的振荡；通过对两束激光分别进行滤波的方法,使得两束激光的波长差在极宽的范围内在线连续可调；通过联合滤波的方式进一步加强激光的稳定性,保持激光的单频单纵模状态。根据设计方案搭建激光器实验系统,两束激光可观测到的最小波长差为0.019nm,最大波长差为15nm。在整个调节过程中,两束激光保持单频单纵模状态。在以上波长差在极宽范围内可调的掺铒光纤环形腔双波长激光器的基础上,我们实现信号频率在极宽范围内可调的基于光学外差法的光生微波源,受限于观测条件,我们观测到的信号频率最小值为472.5MHz,最高可调节至22GHz左右,此频率已接近微波频段中的毫米波波段。若有适当的拍频条件和观测手段,拍频信号的频率可一直延伸到太赫兹波段。2)掺铒光纤环形腔激光陀螺的研究在掺铒光纤环形腔激光陀螺中减小频率闭锁和零频漂移,需要实现一个双波长环形腔激光器,两束激光传输方向相反,在波长差极小的情况下同时稳定地振荡,并保持单频单纵模状态。文中,在环形腔激光器中加入双向圆起偏器使得环形腔中运行传输方向相反、旋向相同的两束圆偏振光,在掺铒光纤中避免空间烧孔；采用两个双向圆起偏器串联的方法,将环形腔激光器分为有源区和无源区,降低激光器的调节复杂度；在环形腔激光器中加入永磁体制作、旋转角度为45度的法拉第旋转体,在系统中引入非互易效应,减小激光器中由于后向反射导致的两束激光的耦合；通过对激光进行联合滤波的方式进一步加强激光的稳定性,保持激光的单频单纵模状态。根据设计方案搭建激光器实验系统,但由于两束激光之间强烈的竞争未能获得两束激光同时稳定的振荡。因此也未能获得陀螺信号。文中从器件的角度分析了这一现象产生的原因。由于器件制备工艺的原因,环形腔激光器中圆偏振光的起偏和保偏效果不理想,因此造成两束激光在掺铒光纤内的模式竞争,导致不能同时稳定地产生振荡。
【作者】洪蕾；
【导师】朱冰；杨利；
【作者基本信息】中国科学技术大学，电磁场与微波技术，2013，博士
【关键词】掺铒光纤环形腔双波长激光器；掺铒光纤；光生毫米波；光学外差法；掺铒光纤环形腔激光陀螺；圆偏振光；非互易性；

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