单模布里渊掺铒光纤激光器及其应用研究

论文摘要

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术,以其高精度的温度应变测量,在大型建筑的结构健康监控、火灾及山体滑坡预警等方面具有广阔的应用前景。高精度的布里渊传感系统信号解调需要一束具有布里渊频移的斯托克斯光作为相干探测布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry, BOTDR)系统的参考光,或布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis, BOTDA)系统的探测光。在布里渊光纤激光器基础上发展的单模布里渊掺铒光纤激光器,输出激光天然地相比其布里渊泵浦光具有布里渊频移,因此在布里渊传感系统中具有潜在的应用前途。另外,单模布里渊掺铒光纤激光器具有超窄线宽(~kHz)、高输出光功率(~mW)的特性,使得它同样可应用于相干光通信、干涉型光纤传感及微波光子学等领域。因此,研究单模布里渊掺铒光纤激光器的实现具有重大的现实意义。以分布式布里渊光纤传感的应用需求为牵引,结合单模布里渊掺铒光纤激光器在诸多领域的应用前景,本论文工作针对单模布里渊掺铒光纤激光器展开,具体包括其工作机理、激光器腔的结构和参数对其输出特性的影响,以及用于光载波抑制的应用,采用布里渊泵浦预放大技术实现了一台基于普通单模光纤的单纵模超短环形腔(~10m)布里渊掺铒光纤激光器。本论文主要研究工作及创新如下:(1)详细介绍布里渊掺铒光纤激光器工作机理。从受激布里渊散射效应及掺铒光纤放大两个方面分别加以阐释,并具体阐述单模布里渊掺铒光纤激光器的结构、机理、速率方程。(2)构建一台单模光纤长度为4.9km的单模布里渊掺铒光纤激光器,对其输出光谱、输出功率以及激光模式等基本特性分别加以研究,包括布里渊泵浦、掺铒光纤泵浦、单模光纤长度和可调谐滤波器对这些特性的影响。实验发现单模光纤短至25m,传统结构的布里渊掺铒光纤激光器即无法形成布里渊激光。(3)结合可调谐带通滤波器采用布里渊泵浦预放大技术,仅使用5m单模光纤,成功实现一台单纵模、低阈值、高功率(~10mW)、调谐范围覆盖整个C波段的超短环形腔布里渊掺铒光纤激光器。单模超短腔布里渊掺铒光纤激光器的实现为下一步实现单频布里渊掺铒光纤激光器打下基础。(4)针对布里渊掺铒光纤激光器的光载波抑制应用,搭建一台单模光纤长度为25km的单模布里渊掺铒光纤激光器,研究其光载波抑制特性,并详细分析了其优良的光载波抑制特性在分布式布里渊光纤传感系统的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 布里渊掺铒光纤激光器的发展概况
• 1.2.1 布里渊光纤激光器
• 1.2.2 布里渊掺铒光纤激光器
• 1.2.3 自激发布里渊掺铒光纤激光器
• 1.3 本课题研究内容
• 第二章 布里渊掺铒光纤激光器的工作机理
• 2.1 受激布里渊散射
• 2.1.1 受激布里渊散射的物理过程
• 2.1.2 布里渊增益谱
• 2.1.3 耦合强度方程及布里渊阈值增益
• 2.2 掺铒光纤放大
• 2.3 单模布里渊掺铒光纤激光器机理
• 2.3.1 单模布里渊掺铒光纤激光器工作过程
• 2.3.2 单模布里渊掺铒光纤激光器速率方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 单模布里渊掺铒光纤激光器基本特性
• 3.1 布里渊泵浦对输出光的影响
• 3.1.1 输出波长
• 3.1.2 输出功率
• 3.2 掺铒光纤泵浦对输出光的影响
• 3.2.1 输出光谱
• 3.2.2 输出功率
• 3.3 单模光纤长度对输出光的影响
• 3.3.1 100m 单模光纤
• 3.3.2 50m 单模光纤
• 3.3.3 25m 单模光纤
• 3.4 可调谐带通滤波器与激光器特性
• 3.4.1 对掺铒光纤激光模式的影响
• 3.4.2 对布里渊掺铒光纤激光模式的影响
• 3.4.3 对激光功率的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 单模超短腔布里渊掺铒光纤激光器
• 4.1 超短腔布里渊掺铒光纤激光器机理
• 4.2 超短腔布里渊掺铒光纤激光器输出特性
• 4.2.1 输出光谱
• 4.2.2 单纵模特性
• 4.2.3 功率特性
• 4.2.4 可调谐激光输出
• 4.3 本章小结
• 第五章 单模布里渊掺铒光纤激光器的光载波抑制应用
• 5.1 光载波抑制的传感应用背景
• 5.2 布里渊掺铒光纤激光器的光载波抑制原理
• 5.3 布里渊掺铒光纤激光器的光载波抑制特性
• 5.3.1 实验系统
• 5.3.2 光载波抑制特性
• 5.3.3 特性分析与应用讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论及下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果