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单频光纤拉曼放大器研究

2020-12-15阅读(215)

单频光纤拉曼放大器研究

论文摘要

光纤拉曼放大器（FRA）具有增益谱宽、增益波长灵活、放大的自发辐射噪声低等优点,在光通信、超连续谱产生及获取特殊波段光源等领域有重要应用。一些特殊领域,如相干合成、谱合成及非线性频率转换等,对光源线宽有较高要求,需进行单频放大。单频光纤拉曼放大器（SF-FRA）可应用于激光导星和大气遥感领域,还可用于获取医学和激光显示用高功率密度可见光源。实际应用中,SF-FRA输出特性受种子光功率、线宽、增益光纤长度、抽运方式等因素的影响。此外,受激布里渊散射（SBS）效应是SF-FRA输出功率提升的限制性因素。论文对SF-FRA的输出特性及其中的SBS效应开展了系统的数值模拟与实验研究工作,主要包括以下内容:一、定量分析了影响SF-FRA输出特性的因素。利用考虑SBS因素的强度耦合方程组,系统分析了种子光功率、线宽、增益光纤长度、抽运方式等因素对放大器输出特性的影响。数值模拟结果表明:注入较高功率的种子光可获得较高的效率,但放大器抽运功率阈值较低。种子光线宽大于1MHz时,SF-FRA抽运功率阈值及最大输出功率明显提高。增益光纤长度越长,放大器效率越高,但最大输出功率较低。前向抽运SF-FRA的效率较高,但抽运功率阈值较低,且前向抽运SF-FRA在增益光纤较短时最大输出功率较高,后向抽运SF-FRA在增益光纤较长时最大输出功率较高。数值模拟结果为高功率SF-FRA系统的优化设计提供了可靠的理论依据。二、详细讨论应力场参数对SF-FRA中SBS效应的影响,并提出应力场抑制SBS的优化施加方案。数值模拟结果表明:增益光纤中不同位置处的信号光及抽运光功率分布不同,对SBS光的布里渊增益及拉曼增益效果不同,因此应力场施加位置、份数、各段光纤上应力大小、非均匀施加应力等参数可以影响SF-FRA中的SBS效应。当所施加的应力场将SBS光功率平均分配到各频率上时,抑制效果最佳。采取优化的应力施加方案,可将SF-FRA最大输出功率提高近一倍。数值模拟结果为提高单路SF-FRA最大输出功率指出了一条可操作性强的技术路径。三、搭建1080nm单频光纤振荡器作为种子源、1031nm主振荡功率放大（MOPA）结构的光纤激光器作为抽运源,构建SF-FRA系统,实验研究SF-FRA的光谱与频谱特性、功率特性、光光转换效率、输出光相干性。首先搭建环形腔结构1080nm单频光纤振荡器,通过采用长度优化的饱和吸收体及调节偏振控制器获得单频种子激光输出,并通过对相同结构1083nm单频振荡器进行百瓦级高功率放大验证了种子源的稳定性。然后分别搭建1031nm MOPA激光器及不同抽运方式、不同增益光纤长度的SF-FRA系统,实现1031nm抽运光对1080nm单频信号光的拉曼放大,并获得了最大功率791mW的拉曼放大光输出。测量了输出光的光谱及频谱特性,结果表明输出功率最大时未出现SBS效应,放大光线宽有较小展宽。详细地实验研究了种子光功率、增益光纤长度、抽运方式等因素对放大器输出功率、效率的影响,实验结果与数值模拟结论吻合。最后测量了拉曼放大光的相干性,验证了通过多路SF-FRA相干合束获得更高功率拉曼放大光输出的可行性。四、实验上实现双纵模SF-FRA。双纵模SF-FRA在激光导星等领域具有重要应用价值,目前未见相关实验报道。通过调节自行搭建的单频光纤振荡器,获得稳定的双纵模单频种子激光,两纵模频率间隔1.4GHz、功率比约1:3,各纵模线宽约10MHz。利用前向抽运SF-FRA实现了1.07W双纵模单频拉曼放大光输出,输出光的光谱及频谱特性测量结果表明拉曼放大过程中两纵模的频率间隔、功率比例均能得到较好的保持,各纵模线宽有较小展宽。初步探索了SF-FRA的双纵模放大特性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题研究背景
  • 1.2 国内外研究现状
  • 1.3 本文主要工作
  • 第二章 基础理论
  • 2.1 受激拉曼散射
  • 2.1.1 受激拉曼散射物理机制
  • 2.1.2 拉曼增益谱
  • 2.1.3 拉曼阈值
  • 2.2 受激布里渊散射
  • 2.2.1 受激布里渊散射物理机制
  • 2.2.2 布里渊增益谱
  • 2.2.3 布里渊阈值
  • 2.3 单频光纤拉曼放大器理论模型
  • 2.3.1 SF-FRA 中考虑SBS 因素的强度耦合方程组
  • 2.3.2 双边界条件微分方程组数值解法
  • 2.4 本章小结
  • 第三章 数值模拟
  • 3.1 SF-FRA 输出特性影响因素分析
  • 3.1.1 种子光功率
  • 3.1.2 种子光线宽
  • 3.1.3 增益光纤长度
  • 3.1.4 抽运方式
  • 3.2 SF-FRA 中应力场抑制SBS 方法分析
  • 3.2.1 应力场对SF-FRA 中SBS 效应的影响
  • 3.2.2 应力场抑制SBS 优化方案
  • 3.3 本章小结
  • 第四章 实验研究
  • 4.1 SF-FRA 输出特性影响因素的实验研究
  • 4.1.1 实验装置
  • 4.1.2 实验结果与讨论
  • 4.2 SF-FRA 输出光相干性的实验研究
  • 4.2.1 实验装置
  • 4.2.2 实验结果与讨论
  • 4.3 双纵模SF-FRA 的实验研究
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 总结
  • 5.1 主要工作
  • 5.2 主要创新点
  • 5.3 后续工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果

    • 相关论文文献

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