掺Yb3+环形光纤激光器可调谐和锁模特性实验研究
作者单位：吉林大学
学位级别：硕士
导师姓名：戴振文
授予年度：2013年
学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程]
主 题：环形光纤激光器 掺 Yb3+光纤 波长调谐 锁模 光纤应变
摘 要：光纤激光器具有体积小、重量轻、高功率、稳定性好、可调谐范围大及应用性强等优良特性，可作为未来高速大容量光纤通信系统的关键器件，同时在高性能光传感、高精度光谱分析、激光医疗、军事等多个领域中也将发挥越来越重要的作用。其中，掺杂稀土元素(Er，Yb等)的光纤激光器在密集波分复用通信系统中的应用受到了广泛的关注。Yb具有很宽的吸收谱和发射谱，可以将其掺入石英光纤中作为激光器的增益介质，或者与其他稀土元素共掺作为能量传递介质。被动锁模是一种全光非线性技术，在腔内不用调制器之类的有源器件就能实现超短脉冲输出。光纤激光器实现被动锁模的方式有很多，但都离不开光纤的非线性效应。在本文研究的激光系统中，利用非线性偏振旋转效应实现锁模，其机理是利用光纤中的自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)效应，使光场不同强度部分在通过光纤后积累不同的非线性相移量，然后结合偏振滤波原理，产生光信号强度的相关损耗，从而达到自振幅调制(APM)的作用，最终实现锁模输出。 本文研究光纤应变对环形光纤激光器连续波调谐及输出特性的影响，并对实验现象进行分析讨论。接下来对激光器的锁模调谐进行了较细致的实验研究。具体来说，论文主要包含以下四个部分：第一部分，阐述光纤激光器的起源和发展背景，并对此类激光器的主要特点进行了说明，总结了目前存在的主要技术问题，对其发展前景进行了分析。第二部分，比较全面的阐述了电压驱动压电陶瓷管产生的光纤应变对系统的相位调制作用，分析了基于非线性偏振旋转效应的锁模机制，为理解实验现象和优化激光器的性能提供了理论依据。第三部分，首先对光纤应变影响激光器单波长连续调谐性能进行了实验研究。电压驱动缠有7m单模光纤的压电陶瓷管，其半径的周期性变化导致缠绕光纤的长度变化，从而起到相位调制作用，实现了跳跃步长为0.36nm的单波长稳定连续调谐。而且，施加50V、100V和150V的驱动电压后对单波长调谐范围未产生较大影响，分别为51nm、53nm和52nm。接下来讨论了驱动压电陶瓷管的电压对激光器斜效率的影响。实验过程中，分别测量了施加50V、100V和150V的驱动电压后，1032.14nm、1045.46nm和1038.08nm激光输出时激光器的斜效率，并对同一波长在不同驱动电压下的斜效率进行了对比。结果表明，相比于不施加电压的情况，1032.14nm、1045.46nm和1038.08nm激光输出时的斜效率在施加100V和150V的电压后有所提高。因此，可以说驱动压电陶瓷管引入的光纤应变对激光器斜效率的提高有一定作用。第四部分，首先对锁模脉冲波长连续调谐幅度与泵浦功率和波片旋角的关系进行了实验研究。在波片旋角固定的情况下，调节泵浦功率，锁模脉冲中心波长可以在1035.9–1033.3nm之间连续调谐，调谐幅度达到2.6nm。接下来将泵浦功率固定在232mW，调节环形腔左侧的1/4波片和中间的1/2波片，实现了1036.03–1038.98nm的锁模脉冲连续调谐，调谐幅度接近3nm。之后测量了锁模脉冲波长的调谐范围，即不要求连续调谐的情况下激光器可以输出的锁模脉冲中心波长的集合。通过对采集的光谱进行处理，得知锁模脉冲中心波长调谐范围为1035.8–1043.6nm，调谐宽度为7.8nm。最后，将环形腔中直径为34mm的压电陶瓷管分别更换成与其材质相近的直径为12mm和80mm的柱形模具(我们称之为螺线管)，并观察这两种情况下对激光器实现锁模和单波长调谐的影响。把7m的光纤缠绕在直径为12mm的螺线管上后，激光器输出的单波长调谐范围拓宽到1019–1078nm。但是，光纤曲率过大，致使附加损耗增加，已经不能实现稳定的锁模脉冲输出。之后将7m的单模光纤缠绕在直径为80mm的螺线管上，能够得到稳定的锁模脉冲输出，且长时间稳定存在。由于光纤弯曲半径比较大，相比之下减弱了光纤中的双折射效应，导致单波长调谐范围缩小到1026–1053nm，宽度只有27nm。由此可知，螺线管的直径对系统输出性能的影响很大，可以对其进行理论模拟，找到最佳的匹配直径，以实现激光器锁模和调谐性能的共同优化。 本论文的研究结果有助于进一步认识光纤激光器连续波调谐、输出及锁模脉冲波长调谐的特性。另外，本文中还提出了一些优化激光器调谐及输出特性的技术方案，并且对本文实验系统中存在的问题进行了阐述，可为今后进一步完善此类激光器的相关性能提供技术参考。
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