新型可调谐窄线宽分布反馈染料激光器的研究

论文摘要

分布反馈(Distributed Feedback, DFB)染料激光器具有无腔镜、阈值低、输出线宽窄、调谐方便等许多优点,在光学器件、集成光路、光通信等许多领域有广阔的应用前景。传统DFB染料激光器通常是通过改变相干光泵浦夹角实现输出波长调谐,调谐手段比较单一。本文基于向列相液晶分子对电场敏感的物化特性,将液晶和染料共掺于特制的液晶盒和设计的沟槽中,通过在液晶盒和沟槽上加电压实现输出激光的方便调谐。本文首先借助耦合波理论推导了折射率或增益周期性分布介质中的耦合波方程,基于该方程得到了DFB激光器的振荡条件和振荡频率、模式谱以及透射和反射功率增益,推导发现DFB激光器的谐振由介质内部周期性微扰提供,并且DFB激光器具有严格的波长选择特性、很低的阈值以及很窄的输出线宽。实验研究了增益DFB染料激光器的输出特性。利用Nd:YAG(532nm、10ns、1Hz)激光器分别相干泵浦PM567、PM597掺液晶P0616A的液晶盒,获得了可调谐窄线宽激光输出,当相干光半夹角分别从46o~50o和45.5o~47.5o变化时,获得的调谐范围为550nm~587nm和565nm~590nm,激光阈值分别为33.5μJ、36.7μJ,输出线宽均小于0.1nm。当固定相干光半夹角为50o,在掺有PM567的液晶盒上加3.4V~4.2V、10kHz的方波电压时,实现了553nm~563nm(约10nm)的调谐输出。另外当两束光偏振方向之间的夹角Φ逐渐增大时,激光能量输出逐渐减弱,当Φ约为90o(实验中为86o)时,激光淬灭,此时当泵浦能量增加到原来的1.6倍时,激光重新出现。设计了填充液晶的一维折射率DFB激光器,基于实验室常用染料的荧光谱范围,确定了沟槽结构的尺寸:槽距为920nm、槽宽为460nm、槽深约为1μm。利用FDTD方法模拟了电磁波在所设计沟槽中的传播过程,模拟发现:液晶和沟槽材料的折射率差值越大,禁带越宽越深,当二者的差值减小时,禁带中心对应的波长发生蓝移;同时当沟槽的周期越多时,禁带越深,边沿越陡峭,则禁带边沿处对应的激光线宽越窄。计算了禁带边沿处激光获得的增益,计算发现该处波长的激光获得增益是其它位置波长获得增益的17倍,因此禁带边沿处的激光很容易赢得模式竞争,进而输出窄线宽激光。由于加电压后禁带边沿的移动,则输出激光的波长也发生改变,这也是电压调谐的原因所在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 染料DFB激光器的国内外研究进展
• 1.2.1 国外研究进展
• 1.2.2 国内研究进展
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 基于耦合波理论分析DFB激光器
• 2.1 耦合波方程
• 2.1.1 折射率周期性分布波导中耦合波方程
• 2.1.2 折射率周期性分布增益波导中耦合波方程
• 2.2 DFB激光器的理论分析
• 2.2.1 DFB激光器的振荡条件和振荡频率
• 2.2.2 DFB激光器的模式谱
• 2.2.3 DFB激光器的透射功率增益和反射功率增益
• 2.3 本章小结
• 第3章 增益DFB激光器输出特性研究
• 3.1 增益DFB激光器的调谐原理
• 3.2 液晶分子在电压作用下的动力学过程
• 3.3 染料掺杂液晶的吸收谱和荧光谱
• 3.4 增益DFB激光器的实验装置
• 3.5 实验结果与分析
• 3.5.1 改变两束相干光半夹角时激光输出调谐性能
• 3.5.2 液晶盒上加电压时的激光输出调谐性能
• 3.5.3 改变一束光偏振方向时的激光输出性能
• 3.5.4 窄线宽激光输出的偏振特性
• 3.6 本章小结
• 第4章 设计折射率DFB激光器
• 4.1 Yee元胞及Maxwell方程组的差分格式
• 4.1.1 Yee元胞
• 4.1.2 Maxwell方程组的差分格式
• 4.2 FDTD方法模拟一维周期性介质结构时的问题分析
• 4.2.1 一维FDTD方程
• 4.2.2 FDTD方法的数值稳定性
• 4.3 设计折射率DFB激光器
• 4.4 模拟所设计的折射率DFB激光器
• 4.4.1 验证程序的正确性
• 4.4.2 模拟电磁波在折射率DFB结构中的传播过程
• 4.4.3 影响沟槽结构光子禁带的因素
• 4.5 禁带边沿处出现激光的原因及调谐方法
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢