摻鉺光纖增益的光纖隨機激光器：理論與實驗.pdf

1、光纖隨機激光器對于基礎(chǔ)激光物理、隨機散射和單模窄線寬光纖激光器的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。有效的利用隨機激光器的各項優(yōu)勢如結(jié)構(gòu)簡單、成本低、窄線寬和低頻率噪聲等來改進和提升現(xiàn)有光纖激光器的結(jié)構(gòu)和性能，將會對高速大容量光纖通信系統(tǒng)、長距離光纖傳感和激光成像等領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供重要的保障。本論文的主要工作是基于摻鉺光纖(EDF)增益的光纖隨機激光器的基礎(chǔ)理論和實驗研究，主要的研究方向為利用光纖隨機激光器的優(yōu)勢提升光纖激光器性能，同時

2、在理論分析和實驗過程中，不斷深入和完善對于光纖隨機激光器本質(zhì)的認識，大部分工作均處于該領(lǐng)域的前沿。
　　本文的主要研究成果與創(chuàng)新點如下:
　　(1)在對光纖中瑞利散射（RS）的本質(zhì)起源和基于瑞利散射光纖隨機激光器原理的充分認識和理解的基礎(chǔ)上，提出了一種利用增強瑞利散射實現(xiàn)光纖隨機激光器的改進方案。在改進的線型激光器結(jié)構(gòu)中僅用500 m光纖作為隨機反饋實現(xiàn)了3 dB平均線寬為3.5 kHz的波長可調(diào)單模隨機激光輸出。目前有報道

3、的超短隨機激光器中光纖長度為560 m。該反饋光纖由本實驗室自行拉制，其前向損耗為0.54 dB/km。
　　(2)針對瑞利光纖隨機激光器中大量隨機模式增益競爭產(chǎn)生的強度噪聲過高的問題，首次提出了一種利用CO2激光引入光纖隨機折射率調(diào)制實現(xiàn)隨機反饋的光纖隨機激光器方案，實現(xiàn)了消光比為59 dB，3 dB平均線寬為2.4 kHz的單模窄線寬激光器，且在1549.722-1550.226nm范圍內(nèi)波長可調(diào)諧。該方案保留了隨機反饋特點的

4、同時大大減少了反饋光纖長度和隨機模式的數(shù)量，一定程度上緩解了隨機模式之間的增益競爭，降低了光纖隨機激光器的強度噪聲。相比于瑞利光纖隨機激光器，反饋光纖長度減少至～10 cm左右，相對強度噪聲平均降低～20 dB，并且激光器的頻率抖動與商用窄線寬光纖激光器為同一數(shù)量級。
　　(3)首次采用飛秒微加工技術(shù)實現(xiàn)光纖中的隨機反饋，制作了單段長度僅為1 cm的隨機反饋光纖，隨機折射率調(diào)制點的間距在10～50μm之間。采用8段不同加工參數(shù)制作

5、得到的隨機反饋光纖級聯(lián)的方式實現(xiàn)了～2.1 kHz，消光比為～60 dB的單模激光輸出。激光器的頻率噪聲在1kHz以上時為～1 Hz/Hz1/2，Allen方差為～1.8×10-12。該方法因為在選模原理上的差異，完全不同于傳統(tǒng)方式的單縱模激光器。同時該方案兼顧光纖隨機激光器的頻率噪聲和強度噪聲，與采用穩(wěn)頻電路的商用光纖激光器相比，各項參數(shù)基本持平甚至優(yōu)于商用光纖激光器，同時還具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。
　　(4)首次提出在光纖

6、隨機激光器中利用雙折射效應(yīng)引起的偏振態(tài)的隨機變化來抑制偏振模式之間的競爭，進而得到單偏振的隨機激光輸出。實驗中通過增加反饋光纖中的雙折射實現(xiàn)了對低增益偏振模式的有效抑制，實現(xiàn)了單偏振的隨機激光輸出。在此基礎(chǔ)上，通過抑制部分偏振模式競爭進一步壓窄了光纖隨機激光器的平均線寬。穩(wěn)定單偏振狀態(tài)下光纖隨機激光器的3 dB平均線寬達到了線寬測試系統(tǒng)的極限分辨率～2.0 kHz，而實際線寬要小于2 kHz。同時激光器的強度噪聲在單偏振輸出條件下更低，

7、頻率噪聲也穩(wěn)定在較低水平。該工作是首次在光纖隨機激光器這一領(lǐng)域?qū)す馄鞯钠裥?yīng)進行研究，并且提出了通過抑制偏振模式競爭的方式壓窄光纖隨機激光器平均線寬。
　　(5)進一步揭示了瑞利散射隨機激光器的本質(zhì)。一般認為光纖隨機激光器是一維隨機激光器，但是由于光纖波導(dǎo)中的雙折射效應(yīng)，光纖隨機激光器本質(zhì)上是橫向受限的三維隨機激光器。首次針對EDF光纖隨機激光器建立了一組偏振相關(guān)的速率方程，模型充分考慮了隨時間變化的隨機瑞利散射和光纖中偏振相