基于马赫—曾德尔干涉仪的可调谐光纤激光器

论文摘要

近年来,可调谐光纤激光器因其在高分辨率光谱学、光通讯、光传感等领域起着很重要的作用而备受关注。到目前为止,研究者已提出多种实现波长可调的方法,比如在谐振腔中利用F-P滤波器、声光调制器来实现波长可调。但是,这些普通的可调谐器件具有复杂的结构和较大的插入损耗。如果激光谐振腔为全光纤结构,激光器的损耗会较低,结构也会简单。为得到全光纤结构的可调谐激光器,人们通常采用全光纤型调谐器件,如光纤光栅等,但由于市场上的光纤光栅通常用于通信波段,很难买到1064 nm的光纤光栅。马赫—曾德尔干涉仪因其结构简单,造价低廉且为全光纤结构,因而近年来受到了研究者的广泛关注。本论文分别利用单通和双通马赫—曾德尔干涉仪作为调谐器件,对全光纤可调谐连续波激光器和全光纤可调谐被动锁模激光器分别进行了实验研究,主要工作如下：1.从麦克斯韦方程组出发,推导了光脉冲在光纤中传输时所满足的传输方程——广义非线性薛定谔方程,解释了马赫—曾德尔干涉仪的滤波原理,介绍了求解光脉冲在光纤中传输时常用的基本方法——分步傅里叶变换方法。2.利用由两个3 dB耦合器串联组成的单通马赫—曾德尔干涉仪作为腔内滤波器,对掺镱双包层可调谐光纤激光器进行了实验研究。在泵浦功率为1.8 W时,实现了波长从1065 nm到1108 nm的连续可调谐激光输出,在可调谐波长范围内的输出功率在9mW以上,激光器的边模抑制比高于42 dB。3.为了提高激光器的可调性,拓展其应用范围,将单通马赫—曾德尔干涉仪改为双通马赫—曾德尔干涉仪,研究了掺镱双包层可调谐光纤激光器。该激光器从1064 nm到1104 nm的范围内连续可调。通过调节置于双通马赫—曾德尔干涉仪中的偏振控制器,实现了激光的中心波长可调与波长间隔可调。激光器的边模抑制比为45 dB,3 dB谱宽小于0.2 nm。工作波长为1068 nm、1082 nm和1098 nm时,激光器的斜率效率分别为23%、32%和26%。通过进一步调整谐振腔内偏振控制器的状态及泵浦功率,观察到了多波长的激光输出且实现了多波长可调。4.利用分步傅里叶变换方法,数值模拟了利用碳纳米管做饱和吸收体实现被动锁模的全过程,研究了小信号增益等参量对锁模脉冲的影响。实验上,利用碳纳米管做饱和吸收体,实现了自启动稳定锁模激光输出。利用单通马赫—曾德尔干涉仪作为调谐器件,实现了全光纤可调谐锁模光纤激光器,激光器的重复频率为6.49 MHz,脉宽大约为1 ps。3 dB光谱宽度为3.3 nm,时谱积为0.412,可调范围为1549.6 nm～1566.3nm,达到了16.7nm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 激光器简介
• 1.1.1 激光器的种类
• 1.1.2 光纤激光器的基本原理及其特点
• 1.2 可调谐光纤激光器及其研究进展
• 1.2.1 可调谐连续波光纤激光器及其研究进展
• 1.2.2 可调谐锁模光纤激光器及其研究进展
• 1.3 马赫—曾德尔干涉仪及其应用
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 光脉冲的传输理论及马赫—曾德尔干涉仪的理论基础
• 2.1 麦克斯韦方程组
• 2.2 光脉冲传输方程
• 2.3 分步傅里叶变换方法
• 2.4 马赫—曾德尔干涉仪的滤波理论
• 2.4.1 耦合模方程
• 2.4.2 低能量光束
• 2.4.3 非线性传输特性
• 2.4.4 非线性特性
• 2.5 本章小结
• 3 基于单通马赫—曾德尔干涉仪的掺镱双包层可调谐光纤激光器
• 3.1 实验装置及实验原理
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 马赫—曾德尔干涉仪的滤波特性
• 3.2 实验结果及分析
• 3.3 本章小结
• 4 基于双通马赫—曾德尔干涉仪的掺镱双包层可调谐光纤激光器
• 4.1 实验装置与原理
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 5 基于单通马赫—曾德尔干涉仪的可调谐锁模掺铒光纤激光器
• 5.1 碳纳米管可饱和吸收体
• 5.2 实验装置
• 5.3 实验结果及分析
• 5.4 理论计算与数值模拟
• 5.4.1 马赫—曾德尔干涉仪的滤波特性
• 5.4.2 可饱和吸收体锁模激光器的数值模拟
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得的科研成果清单