外腔可调激光器的外腔改善及线宽测量研究

作     者：崔明斌 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨修伦;黄俊刚

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：外腔可调激光器 外腔设计 平行潜望镜 线宽测量 

摘      要：外腔可调激光器凭借优良的性能已在相干光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用,但随着技术的发展,也对其提出了更高的性能要求。可调激光器的外腔对输出激光的性能起着决定性作用。激光要获得单模输出、线宽更窄、连续可调谐范围更大、输出功率更高且更稳定的光源,就需要对激光器的外腔进行了不断地改进。线宽是评价激光器性能的重要指标,激光器的线宽水平也关系着应用系统的性能,尤其是在光学测量和光通信等领域,线宽的大小决定着光通信的质量和水平,并对光学测量的距离、精度和灵敏度等有着至关重要的影响。因此,研究激光线宽精确测量与表征具有重要意义。本文围绕窄线宽外腔可调谐激光器的外腔改善及线宽测量进行了系统研究。首先对外腔可调激光器的外腔的滤波器件进行了改进,提出一种基于平行潜望镜的外腔滤波组合体,并对其进行了原理分析和理论推导,给出了理论分析模型。梳理综述了激光器的线宽测量方法,对延时自外差法进行了深入探究,并针对1kHz以下的线宽检测,给出了一种基于FRM（法拉第旋转镜）的线宽测量方案,并进行了原理分析和实验探究。本论文的具体研究内容和成果如下:一是介绍了外腔可调激光器的工作原理,并对可调激光器各关键元件进行了分析介绍。提出并研究了一种可调激光器的新型外腔滤波器件,该滤波器件由平行潜望镜、标准具和窄带滤光片组成。本文研究分析了它的选模原理,并验证了波长调谐功能。分析表明:此设计在进行波长调谐时对于转轴点无依赖性,可提高激光器的稳定性,防止跳模现象发生,具有实际工程应用价值;此外,新型滤波做合体通过三腔耦合实现双重滤波锁模可进一步压窄线宽。本文研究推导了无跳模理想调谐条件下外腔的各参数（潜望镜入射角、平行潜望镜之间的距离、腔镜之间的距离,标准具入射角）关系。根据新型外腔设计各参数的理论分析和推理,对基于新型外腔设计的输出波长为650nm的激光器进行了光路的设计、仿真和优化,并分析了无跳模可调谐范围。二是介绍了激光线宽理论,并分析了线宽测量方法的工作原理。根据原理的不同,将线宽测量方法分成了两大类:基于信号功率谱的线宽测量方法和基于相位噪声谱的线宽测量方法。通过表格的形式对线宽测量方法的优缺点和对应检测范围进行了梳理和对比。对常用的延时自外差法进行了原理分析和仿真模拟,并搭建试验系统对其进行验证,分析了实验结果,并对测量结果的误差进行了仿真和分析,明确了传统方法不能实现1kHz以下线宽测量的具体原因和限制性因素。三是针对目前越来越多低于1kHz的线宽测量测量需求,本文给出了一种改进的基于部分相干光干涉的双参数线宽测量方法,搭建实验系统对其进行了验证,并对实验结果的误差进行了分析,对系统优势进行了总结分析。