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基于长周期光纤光栅及非线性效应的多波长光纤激光器的研究

刘学松  
【摘要】:多波长光纤激光器(MWFL)是一种可以在几十纳米的光谱范围内同时产生几个、十几个、几十个甚至上百个激光波长的光纤激光器,在未来的密集波分复用(DWDM)光通信系统、光纤传感、高精度光谱分析和光仪器检测等领域具有广阔的应用前景。本论文研究了基于级联非匹配长周期光纤光栅(LPFG)的新型可开关、可调谐MWFL和利用光纤的非线性效应实现的具有大量波长输出的MWFL。同时,我们也研究了LPFG的制作方法以及新特性。本论文的主要研究工作及成果包括: 首先,介绍了我们自行设计、搭建的一套用线聚焦、长脉冲CO2激光全自动刻写LPFG的装置,这是目前成本最低、操作最为简单的制作LPFG的平台之一。解释了写入光斑的大小可以影响纤芯模和非对称包层模耦合的机理,并用基于有限元方法(FEM)的模拟和包层腐蚀实验加以验证。结论是小光斑写入法主要激发对称模式耦合,产生单峰共振的透射谱;大光斑写入法有利于激发非对称模式耦合,从而产生多峰共振的透射谱。 其次,提出了“级联非匹配LPFG”的概念,即级联两个不同的LPFG,并对它的光谱特性进行了理论分析和实验研究。通过推导出其梳状透射谱的上、下包络的解析表达式,证明了其光谱上包络的固有不平坦性,但其下包络弯曲的曲率更大,而且对包层模损耗变化非常敏感。实验上,我们通过适当地弯曲级联非匹配LPFG,实现了在1530nm~1560nm波长范围内连续可调的局部高衬比度梳状透射谱。这一技术可应用于高精度弯曲传感器。 再次,我们自制了具有偏振相关损耗(PDL)特性的级联非匹配LPFG,其梳状透射谱上包络可以随着入射光偏振态(SOP)起伏,即不同波长处的透射峰会随着入射SOP不同程度地升高或降低,这样就形成了一个各通道透射率可以非均匀变化的特殊梳状滤波器。它在EDFL中可以同时起到波长选择器和开关滤波器的作用。再辅以一个宽带高双折射萨格纳克光纤环(HiBi-SLM)来调节掺铒光纤(EDF)的增益带,我们的可开关、可调谐MWFL最终可以在1540nm~1570nm波长范围内输出数十种波长组合的激光。 然后,我们研究了利用色散位移光纤(DSF)作为非线性介质同时引入非线性偏振旋转(NPR)效应和四波混频(FWM)效应用于MWFL。前者可以引入强度相关损耗(IDL)机制,用于抑制EDF的均匀展宽增益特性带来的模式竞争,后者可以促进各波长间的能量均衡分配,二者都有利于实现稳定工作的MWFL。对比发现,使用DSF比使用相同长度的单模光纤(SMF)产生的波长数目更多,效率更高。使用简单的环形谐振腔结构,实现了0.4nm波长间距,最多38个波长输出的MWFL。 接着,利用非线性放大环形镜(NALM)产生多波长。理论和实验证明,这种方法的最大优点在于通过控制腔内损耗,可以方便地修正NALM的透射率特性,从而优化多波长激光振荡。使用“8”字形腔结构,辅以一段未泵浦的EDF来调节腔内损耗和吸收放大的自发辐射(ASE),在只有70mW的泵浦功率下,可以产生0.45nm波长间距,多达62个波长的可调谐激光输出。其中,利用MATLAB软件,通过数值求解激光器的原子速率方程和谐振腔速率方程,对基于NALM的MWFL的激光振荡过程进行了动态仿真,这有利于在理论上深入研究MWFL的性质。 最后,我们研究了一种新颖的基于NALM的双态MW-EDFL,它采用数百米长的SMF作为非线性介质,既可以实现被动锁模,产生纳秒量级矩形波光脉冲,同时在光谱上产生非常稳定的数十个激光波长;又可以实现连续波多波长,产生高SNR、窄线宽的四波长可调谐输出。通过调节偏振控制器,可以使激光器在两种工作状态间切换。


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