可调谐双波长环形腔掺铒光纤激光技术研究

论文摘要

近年来,光纤激光器已成为激光科学与工程领域的研究热点之一,它的波导式结构和可容强泵浦特性,使其具有输出功率高、光束质量好、转换效率高、阈值低、线宽窄、输出波长多、兼容性好和结构简单等诸多优点,在光纤通信、光纤传感、军事、工业加工、光信息处理和全色显示等领域有着广阔的应用前景。特别是可调谐双波长光纤激光器在波分复用（WDM）光纤通信和光纤传感应用中扮演着极其重要的角色。可调谐的双波长光纤激光器不仅可以同时为两个信道提供所需光源,使发射端的设计更为紧凑、经济；而且激光器输出的波长还可调谐,适用于光网络中波长动态分配的情况,从而提高了网络的灵活性。所以,对可调谐双波长光纤激光器的研究无疑具有重要的意义。本论文对可调谐双波长环形腔掺铒光纤激光技术进行了系统、深入的研究,研究内容主要包括以下几部分：首先,简述了可调谐、多波长光纤激光器的研究现状,分析了光纤激光器的基本原理和工作特性。其次,在分析光纤激光器系统组成的基础上,设计了可调谐双波长光纤激光器的研究方案,方法就是采用γ型滤波器,其中含有两根光纤Bragg光栅,并用机械方法对其同时进行调谐,使得光纤激光器输出可调谐的双波长。该系统具有调谐方便、调谐速度快等优点,并对该方案进行了可行性分析。再次,根据设计方案搭建了实验系统。用宽带光源ASE测试了FBG的特性,接着进行了可调谐单波长环形腔掺铒光纤激光器的实验研究。FBG的特性测试结果表明,两FBG在悬梁臂应变的过程中,负载与波长具有良好的线性关系,可用于可调谐光纤激光器实验系统；可调谐单波长光纤激光器的实验结果表明,该系统实现了可调谐的输出波长,并测定了其调谐灵敏度及调谐范围。在此基础上,进行了本课题,即可调谐双波长环形腔掺铒光纤激光器的实验研究。实验结果表明该光纤激光器输出的双波长可同时调谐,即两波长分别能向长波长方向或短波长方向移动,测定了该系统的阈值功率和功率输出稳定性。对实验结果进行分析,并处理实验数据,拟合出负载-波长、负载差-波长差、阈值功率和功率稳定性的关系曲线,得出该光纤激光器的调谐灵敏度为0.1530nm/kg,调谐范围为0.808nm,阈值功率为6.557mW,输出功率为1.68mW,且比较稳定。最后,经过对本课题的研究、设计与实验后,实现了可调谐双波长环形腔掺铒光纤激光器输出可同时调谐的双波长,并且输出功率比较稳定。但是,由于实验条件和时间的限制,实验测出的调谐范围并非该系统实际意义上的最大调谐范围,该光纤激光器输出的双波长不够稳定。在今后的学习研究中,一方面,可以在FBG性能允许的范围内增加砝码数量测定出真正的最大调谐范围；另一方面,可以采用平衡增益的方法,使不同信道的光获得相同的输出功率,实现双波长的稳定输出。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 可调谐光纤激光器
• 1.2.2 多波长光纤激光器
• 1.3 可调谐掺铒光纤激光器的研究现状
• 1.4 多波长光纤激光器的国内外研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 可调谐多波长光纤激光器的研究意义
• 1.6 本文的研究目的及主要内容
• 2 光纤激光器基本理论分析
• 2.1 激光理论基础
• 2.1.1 光的自发辐射、受激吸收和受激辐射
• 2.1.2 激光产生的条件
• 2.1.3 三能级和四能级结构
• 2.2 光纤激光器原理
• 2.2.1 激光器谐振腔原理
• 2.2.2 泵浦特性及阈值特性
• 2.2.3 泵浦模和掺杂分布对光纤激光器的影响
• 2.3 光纤激光器性能影响因素
• 2.3.1 空间烧孔效应
• 2.3.2 跳模
• 2.3.3 激发态吸收（ESA）
• 2.4 本章小结
• 3 可调谐双波长光纤激光器方案设计
• 3.1 增益介质的选择
• 3.1.1 增益介质的掺杂浓度
• 3.1.2 增益介质的长度
• 3.1.3 铒光纤的基本特性
• 3.1.4 掺铒光纤中能量损耗过程
• 3.1.5 本课题选用的掺杂光纤
• 3.2 泵浦源的选择
• 3.2.1 泵浦源的选择标准
• 3.2.2 本课题选用的泵浦激光光源
• 3.3 谐振腔结构类型的选择
• 3.3.1 线形腔
• 3.3.2 环形腔
• 3.3.3 本课题选用的谐振腔
• 3.4 可调谐滤波器的选择
• 3.4.1 可调谐滤波器的种类
• 3.4.2 可调谐光纤光栅
• 3.4.3 本课题选用的可调谐滤波器
• 3.5 输出耦合比及铒纤长度的确定
• 3.5.1 掺铒光纤激光器输出特性的理论分析
• 3.5.2 输出功率与输出耦合比的关系
• 3.5.3 输出功率与铒纤长度的关系
• 3.5.4 本课题选用的输出耦合比和铒纤长度
• 3.6 研究方案的确定及可行性分析
• 3.6.1 研究方案的确定
• 3.6.2 研究方案的可行性分析
• 3.7 本章小结
• 4 可调谐双波长环形腔掺铒光纤激光器的实验研究
• 4.1 实验设备介绍
• 4.2 ASE测试FBG特性实验
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 实验结果与分析
• 4.2.3 实验结论
• 4.3 可调谐单波长环形腔掺铒光纤激光器实验研究
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 实验结果与分析
• 4.3.3 实验结论
• 4.4 可调谐双波长环形腔掺铒光纤激光器的实验研究
• 4.4.1 实验方法
• 4.4.2 实验结果与分析
• 4.4.3 实验结论
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文