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低噪声单频光纤激光技术及其应用研究

赵齐来  
【摘要】:单频光纤激光器凭借着全光纤紧凑型结构、良好的光束质量、k Hz量级的激光线宽以及方便高效的热管控等优势,在光纤通信、相干合束、多普勒激光雷达等领域具有重要的应用价值。然而,单频光纤激光器的噪声特性限制了其在诸如高精度光谱学、精密时频传递、光泵磁力仪以及引力波探测等精密激光应用领域的进一步发展。为了提升单频光纤激光器的噪声性能,满足激光应用系统日益提高的光源噪声技术指标,开展单频光纤激光器的噪声抑制研究具有重要意义。本文选取分布布拉格反射(DBR)单频光纤激光器作为研究对象,针对强度噪声和频率噪声的抑制开展系统研究,并在所获低噪声单频光纤激光器的基础上开展应用研究,取得的主要研究成果如下:(1)强度噪声抑制方面:提出了基于偏振相关增益饱和效应的半导体光放大器(SOA)抑制强度噪声理论模型,并对理论模型的准确性进行了实验验证。利用SOA与光电反馈相结合的抑制技术,结合自主优化设计的高饱和功率低噪声光电探测器,在50 k Hz~50 MHz的宽频段范围内,输出激光抑制后的相对强度噪声(RIN)达到了-160d B/Hz,与散粒噪声极限(-163.69 d B/Hz)的差距不足3.7 d B,有效地提高了单频光纤激光器的强度噪声性能。(2)频率噪声抑制方面:利用50:50的2×2耦合器构成带隙型滤波谐振腔,设计出8字型复合光学反馈环路,从而引进游标效应增强复合腔的反馈锁定效果,大于3 k Hz频段的频率噪声可达0.3 Hz~2/Hz的水平,最大抑制幅度可达4个数量级。选用臂差为500m的迈克尔逊干涉仪结合比例积分微分(PID)锁定技术,在30 Hz~100 Hz频段内频率噪声实现了5个数量级的最大抑制幅度,频率噪声最小值可达0.1 Hz~2/Hz。开展8字型光学反馈与非平衡光纤干涉仪相结合的综合频率噪声抑制研究,频率噪声最低水平达到0.03 Hz~2/Hz,最大抑制幅度接近6个数量级。在10 Hz~25 k Hz的频段内,输出激光的频率噪声均小于1 Hz~2/Hz,实现宽频段低频率噪声的单频光纤激光输出。(3)强度噪声与频率噪声同时抑制方面:采用光学自反馈与助推光学放大器(BOA)相结合的综合噪声抑制技术,对中高频段的强度噪声与频率噪声开展同时抑制研究。RIN最大抑制幅度超过64 d B,在75 k Hz~50 MHz的频段内,RIN水平被抑制至-150 d B/Hz;在700 Hz~7 k Hz的频段内,频率噪声实现了2个数量级的下降,频率噪声最小值为0.15Hz~2/Hz。采用数字PID型光电反馈与氦原子频率调制谱相结合的方式来实现低频强度噪声与频率噪声的同时抑制。在0.1 Hz处,RIN实现了高达32 d B的最大抑制幅度,从而被降低至-102 d B/Hz,同时在1 Hz处,RIN也获得了20 d B的有效抑制。24小时的频率稳定性提高了近4个数量级,频率不稳定度由原来的2.57×10~(-6)大幅缩小至4.22×10~(-10)水平。(4)低噪声单频光纤激光器的应用方面:利用SOA的偏振相关增益饱和效应,设计了基于信号强度调控的激光加密传输方案。在对激光信号施加强度调制后,通过信号加密模块实现近60 d B的强度信号幅度抑制。经过50 km单模光纤传输后,光强直接测量所获得的信噪比仅为3 d B。而采用定制解密模块探测,解调信号幅度提高了近40 d B,整个调制信号的基本状态实现解调。利用低频率噪声单频光纤激光器结合光纤干涉仪连同相位生成载波(PGC)调制解调技术构建光纤应变精密测量系统。在30~200 Hz频段,应变测量灵敏度提高近3个数量级,由原来10 pε/Hz~(1/2)量级提高至10 fε/Hz~(1/2)量级,实现了高灵敏度的光纤应变精密测量。


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