基于新型Sagnac环结构的光纤激光器理论分析和实验研究

【摘要】：光纤激光器因具有结构紧凑,易于维护,散热性好,体积小,光光转化效率高等诸多优势,在光纤通信系统、光纤传感、激光雕刻和医疗器械等领域有着广泛的应用前景。针对现有Sagnac环结构的光纤激光器存在的不足,本文提出了几种具有新型Sagnac环结构的光纤激光器,对所提出的光纤激光器的性能进行了深入地讨论。具体内容如下:(1)首先介绍了光纤激光器的研究背景和意义,紧接着列举了两种具有高应用价值的光纤激光器——多波长光纤激光器和被动锁模光纤激光器的研究现状和进展。(2)介绍了用于分析偏振相关系统传输特性的Jones矩阵理论,并利用Jones矩阵理论推导了Sagnac环滤波器和马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪的传输函数,研究了两种滤波器的参数设置对传输特性的影响。详细研究和分析了四波混频(FWM)效应和偏振烧孔(PHB)效应,利用Jones矩阵理论推导了非线性偏振旋转(NPR)效应的传输函数,仿真结果表明NPR效应可以用于多波长光纤激光器的稳频技术,也能用于产生锁模脉冲。(3)研究了一种基于两段保偏光纤(PMF)的双Sagnac环滤波器。利用Jones矩阵理论和数值仿真方法对双Sagnac环滤波器的传输函数进行分析,仿真结果表明双Sagnac环滤波器具有通道间隔可变和偏振无关的特性。之后测量了双Sagnac环滤波器的透射谱,实验结果与仿真结果完全一致。将双Sagnac环滤波器与NPR效应相结合,提出了一种波长间隔可调谐的多波长掺铒光纤激光器(MWEDFL);接着使用FWM效应抑制模式竞争,实现了一种通道间隔可调的MWEDFL,该激光器可以输出通道间隔为0.9 nm或者0.35 nm的多波长激光。(4)研究了一种基于内嵌M-Z干涉仪的Sagnac环滤波器。利用Jones矩阵理论对内嵌M-Z干涉仪的Sagnac环滤波器的传输函数进行了理论推导,分析了PMF长度对传输函数的影响。在此基础上提出了一种基于内嵌M-Z干涉仪的Saganc环滤波器的MWEDFL。在实验中,对比分析了不同PMF长度下可调谐的多波长激光输出特性。实验结果表明当PMF长度设置为0.15 m时,多波长光纤激光器的输出激光特性更优。(5)提出了一种锁模与多波长可切换的双向光纤激光器。该激光器分为两个支路,分别用于产生多波长激光和锁模脉冲。通过调节偏振控制器(PC)和可变光衰减器(VOA),多波长回路(MWL)可以产生稳定可调谐的单、双波长激光和波长间隔可变的三波长激光。通过调节PC和VOA,锁模回路(MLL)可以产生稳定的方波脉冲和谐波锁模脉冲,实验中还探究了泵浦功率对脉冲宽度、光谱特性的影响。