基于光纤耦合的激光自混合干涉效应

论文摘要

激光自混合干涉同时也被称为激光反馈效应或注入调制效应,是指激光器输出的光被外部物体反射或散射后,其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔内,反馈光携带了外部物体的信息,与激光腔内的光相混合后,调制激光器的输出功率以及输出频率。由于输出的光信号与传统的双光束干涉有着相似之处,所以被称之为激光自混合干涉效应。传统的激光器自混合干涉系统光源多采用激光二极管、垂直表面发射激光器、Nd:YAG激光器、CO2激光等做传感光源,这些激光器均为法布里-珀罗腔（F-P）结构。迄今为止,对于在光纤网络中广泛使用的分布反馈（DFB）激光器及光纤激光器的自混合效应的研究,国内外还几乎是空白。本文致力于光纤耦合的自混合干涉效应研究,为实现基于光反馈的激光有源传感网络技术提供理论基础和实验技术。本文首先运用耦合波方程对DFB激光器的自混合干涉理论进行了推导,得到在有外光反馈的条件下,λ/4相移折射率耦合型DFB激光器、增益耦合型DFB激光器以及分布Bragg反射镜激光器的自混合干涉振荡频率及增益变化的相关表达式。从模拟仿真中可以得到,其自混合干涉信号均类似于F-P激光器的自混合干涉信号,即当外部反馈较小的时候,自混合干涉信号为一类正弦波,当外部反馈较大时,自混合干涉信号为一类锯齿波,信号一个条纹的改变对应目标耙半个波长的位移,并得到实验验证。结合光纤传输特性,对DFB激光器的多重外腔反馈以及光纤传输的影响进行了分析,并进行了长距离测反射率的定性实验观测。另外,分别对线形腔掺铒光纤激光器以及环形腔掺铒光纤激光器的光反馈进行了分析,并分别提出了腔内以及腔外两种基于光反馈的模型。根据光纤激光器的超越方程推导得出分别在激光器腔内光反馈和腔外光反馈的条件下系统输出变化,在数值模拟中将两者进行了比较。实验观测对两种模型进行了信号比较,同时改变实验条件,对不同参数的影响进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 激光自混合干涉的概念及特点
• 1.2 激光自混合干涉的兴起
• 1.3 激光自混合干涉的研究现状
• 1.4 激光自混合干涉的应用研究进展
• 1.5 课题来源及本文研究内容、意义
• 第二章 激光自混合干涉的基本理论
• 2.1 前言
• 2.2 F-P腔激光器自混合干涉模型
• 2.3 自混合干涉的数值模拟
• 2.4 实验观测
• 2.5 本章小结
• 第三章 分布反馈半导体激光器自混合干涉理论和实验
• 3.1 前言
• 3.2 DFB激光器的自混合干涉理论模型
• 3.2.1 无外光反馈时DFB半导体激光器的特征方程
• 3.2.2 有外光反馈时DFB半导体激光器的输出变化
• 3.3 光反馈水平参数对自混合干涉的影响
• 3.3.1 复反馈灵敏度系数的分析
• 3.3.2 光反馈因子取值范围对自混合干涉信号的影响
• 3.4 DFB激光器自混合干涉的数值分析
• 3.4.1 耦合长度对自混合干涉信号的影响
• 3.4.2 线宽展宽因子对自混合干涉信号的影响
• 3.4.3 外部物体反射率对自混合干涉信号的影响
• 3.5 DFB自混合干涉的实验观测
• 3.5.1 实验装置
• 3.5.2 实验结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 DFB激光器多重外腔反馈的理论模型及测反射率应用
• 4.1 前言
• 4.2 分布反馈半导体激光器多重外腔反馈
• 4.2.1 理论模型
• 4.2.2 数值分析
• 4.3 长光纤传输对自混合信号的影响
• 4.3.1 理论模型
• 4.3.2 数值分析
• 4.3.3 实验观测
• 4.4 远距离测反射率应用
• 4.4.1 待测反射率与信号的分析
• 4.4.2 数值分析
• 4.4.3 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 分布布拉格反射镜半导体激光器的自混合干涉效应
• 5.1 前言
• 5.2 分布布拉格反射镜激光器的自混合干涉理论模型
• 5.2.1 单端DBR激光器的自混合干涉
• 5.2.2 双端DBR激光器的自混合干涉
• 5.2.3 可调谐DBR激光器的自混合干干涉
• 5.3 数值模拟
• 5.3.1 DBR激光器腔内参数对自混合干涉输出信号的影响
• 5.3.2 DBR激光器腔外参数对自混合干涉输出信号的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 光纤激光器的反馈干涉效应
• 6.1 前言
• 6.2 线形腔光纤激光器的反馈干涉效应
• 6.2.1 线形腔光纤激光器基本原理
• 6.2.2 光反馈效应理论分析
• 6.2.3 数值模拟
• 6.2.4 实验观测
• 6.3 光纤环形激光器反馈干涉效应
• 6.3.1 环形腔光纤激光器基本原理
• 6.3.2 光反馈效应理论分析
• 6.3.3 数值分析
• 6.3.4 实验观测
• 6.4 本章小结
• 第七章 结束语
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文和参加的工作
• 致谢