（光学专业论文）被动锁模光纤激光器的理论与实验研究.pdf

南开大学硕士学位论文被动锁模光纤激光器的理论与实验研究 摘要 光纤激光器已经广泛应用于光纤通信、光纤传感和激光技术等领域中。随着 现代社会对光纤通信容量需求的不断增长，高码率时分复用系统成为研究的热 点，这促使人们研制出高性能锁模光纤激光器，特别是作为高速通信系统光源的 锁模掺铒光纤激光器。本论文对被动锁模掺e r 光纤激光器、包层泵消e y b 共 掺光纤激光器、m a c h z c h n d e r 干涉仪调q 的掺e r 光纤激光器进行了理论和实验 研究，主要内容可归纳如下； 1 结合e r 矾) 共掺光纤中的稳态速率方程和功率传输方程，利用m a t l a b 软件编 程，分别对线形腔和环形腔结构的双包层e r 门两_ 共掺光纤激光器输出特性进行 了数值模拟。在线形腔结构中分析了输出功率髓泵浦功率、激光输出波长、 腔镜反射率以及光纤长度的变化情况：在环形腔结构中，研究了输出功率对 输出藕合耽，泵清功率以及激光波长弱依较关系。 2 在线形腔e r 厂y b 共掺光纤激光器的实验研究中，在泵消功率为3 1 4w 情况下 得到了1 ，1w 的离功率输出。激光中心波长为1 5 4 8 5 m ，斜率效率为3 9 。 3 ，对一种全光纤结构的m a c h z e h n d e r 干涉仪调q 掺e r 激光器进行数值模拟，利用 功率传输方程分别研究了泵浦功率、重复频率、掺杂光纤长度及腔长对脉冲 峰值功率和脉宽的影响。 4 ，对非线性放大光纤环镜的特性进行了分析，利用非线性放大光纤环镜作为可 饱和吸收体在环形腔掺e r 光纤激光器中实现了锁模输出，得到中心波长1 5 6 岬，谱宽2 8n m 、重复频率为1 lm h z 的脉冲序列。 5 利用锁模方程，对被动锁模光纤激光器的自启动特性进行了研究。得出了实 现自启动的条件。 6 ，分析了波长扫描锁模光纤激光器的工作原理，在实验中得到重复频率2 5 m h z ，波长扫描范围1 5 2 7 砌一1 5 3 4r 吼的稳定脉冲序列，脉冲平均功率最高 7 达到o 6 8 m w 。 7 ，在对波长扫描锁模光纤激光器的数值研究中，把掺杂光纤中信号的增益、f p ，可调谐滤波器的频移滤波、光纤中的损耗、色散和非线性等作用集总化。模 拟得到了腔内脉冲的产生和演化过程。 关键词：e r ，n 共掺光纤，双包层，掺e r 光纤，马赫曾德干涉仪，调q ，超短脉 冲，锁模，非线性放大光纤环镜，自启动，波长扫描，线形腔，环形 腔，数值模拟 a b s t r a c t f i b e ri a s c r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nav a r i e t yo ff i e l d ss u c ha so p t i c a i c o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a ls e n s i n ga n di a s e rt e c h n o l o g y w i m 也ei n “e a s i n gd e m a n d s f o rt l l ec a p a c i t yo ff i b e rc o m m u i l i c a t i o ns y s 把mn o w a d a y s ，t 1 1 et d ms y s t e mh a s b e c o m er e s e a r c hh o t p o t s ，w h i c hl c a d sp e o p l et os t u d yh j 曲一q u a l i t ym o d e l o c k e df i b c r l a s e f s ，e s p e c i a l l y m o d e l o c k e de 卜d 叩e df i b e r1 a s e r s o p e r a t m g i nm et h i r d c o m m u n i c a t i o nw i n d o wt h j sd i s s e r t a t i o n m a i n l yd e s c r i b e st h e t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lw o r ko nm o d e l o c k e de 卜d o p e df i b e rl a s e r s ，c l a d d i n g - p u m p e de “y b c o d o p e df i b e t1 a s e r s ，a l l 一6 b e rq s 、v i t c h e de r d o p e df i b e rl a s e r sw i m am a c h z e h n d e r i n t e “h o m c t c r t h em a i np o i n t sa r ea sf o l l a w s ： 】b a s e do nt l l e p o p u l a t i o nd e l l s i t yr a t ee q i l a t i o n s a n dt h e p o w e rp m p a g a t i n g e q u a t i o n si n t 1 1 ee 以bc o d o p e d 肺e r w en 啪e r i c a l l y s t u d y 也eo u 中u t c h a r a c t e r i s t i c so fe r y bc o d o p e dd o u b i ec i a dn b e ri a s e r so fl i n e a ra n dr i n gca _ v i t 弘 r e s p e c t i v e l y f o rm el i n e a rc a v 崎s t m 咖r e ，m ed e p e n d e n c eo fo u t p u tp o w e ro n p u m pp o w e r ，s i g n a lw a v e i e n g m ，c a v i t yr e n e c t i v i 哆a n df i b e rl e n g m ，r e s p e c t i v e l y ， i sp r e s e n t e d a n df o r 也er i n gc a v i t y ，也eo 眦p u td e p e n d e n c eo no u t p u tc o u p l i n g r a t i o ，p u m pp o w e r a i l dl a s e rw a v e l e n g mi ss n l d i e d 2 i nt h ee x p c r i m e n to fl i n e a rc a v i t ye r y bc o d o p e dn b e rl a s e r o u t p u to p e r a t i n ga t 1 5 4 8 5mw i ms 1 0 p ed 矗c i e n c ya sh i 曲a s3 9 i so b t a i n c d t h em a ) 【i m u mo u t p u t p o w e rr e a c h e s3 1 4w 3a na l l f i b e rq s w i t c h e de r _ d o p e df i b e r l a s e rm o d u l a t e db yam a c l l - z e h n d e r i m e r f e r o m e t e ri sn u r n e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d ，w i mp o w e rd i s 打i b u t i o ne q u a t i o n s ，w e s t u d yt h ei 1 1 f l u e n c eo fp u r n pp o w c r r e p e t i t i o nr a t e ，l e n g t ho fd o p c d 硒e ra n d c a v i t yl e n g t ho nm ep e a kp o 、v e ra n dt | l ep u l s e 、v i d t l lo f m ep u l s es e r i e s 4 t h et r a l l s m i s s i o np m p e r 哆o fa na m p l i 研n gn o l i n e a r o 面c a l 胁e r l o 叩m i r r o ri s a n a i y z e d w “han o n l i n e a ro p t i c a lm i m rs e r v i n ga st h es a t u r a b l ea b s o r b e r ，m o d e l o c k i n gi sr e a l i z e di na ne r d o p e dr i n gc a v i t yl a s e t h ec e n 仃a l 、v a v e l e n g t 圭1o f 幽e o u t p u ti s1 5 6 m ，t l l es p e c t r 赳、v i d t hi s2 _ 8 啪，a i l dm er e p e t i 石o nr a t eo fo u t p u t p u l s es c r i e s i s1 lm h z 5 n l ec o n d i h o n so fs e l f - s t a r t i n gap a s s i v e l ym o d cl o c k e d 舶e ri a s e r sa r es t u d i e d ， b a s e do nm ed y n a m i ce q u a t i o no fm o d e 1 0 c l 【i n g 6 t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f w a v e l e n g ms c 删n gm o d e l o c k e dn b e r1 a s e r si s e x p o u n d e d ht h ee x p e r i m e n t ，t h el a s c ro u t p u t ss 协b l ep u l s e sw i t hr e p e t i t i o nr a t e o f2 5m h z ，w a v e i e n g 出s c a n n i n gr a n g ef 而ml5 2 7n mt o15 3 4n m w h e nt h e i i 南开大学硕士学位论文 被动锁模光纤激光器的理论与实验研究 p u m pr e a c h e s5 7 6m w ，p u l s e sw i t ha v e r a g ep o w e r o f o 6 8m wa r eo b t a i n e d 7 ，l n 也en 啪e r i c a la n a l y s i so nw a v e l e n g t hs c a l l n i n gm o d el o c k e d 纳e rl a s e r s ， c e n t r a i i z i n gm eg a i no fa c t i v ef i b e r ，t 王l en i t e r i n ge 丘色c to ff - pf i b e rf i l t e r ，t h ei o s s ， d i s p e r s i o na n d n o n l i n e a re 疵c t si nt h ec a v i t y w ed e s c 曲et h ep u l s eg e n e r a t l o na n d e v o l u t i o no ft h ep u l s e si nm ec a v i t y k e y w o r d s ：e r y b c o d o p e dn b e l d o u b l ec l a d ， e r d o p e d ， m a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r ，q s w i t c h e d ， u l t r a s h o r tp u l s e ，m o d el o c k i n g ，n o n l i n e a r a m p l i 母i n gl o o p 觚r r o r ，s e l fs t a r t i n g ，w a v e l e n g ms c 砌n g ， l i n e a r c a v i 坝r i n gc a v i 吼n u m e r i c a la 士1 a l y s i s i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 吖趣 虹圈卜 w 年，月；o 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长l o 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最长z o 年，可少于2 0 年) 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 从1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器的成功演示至今，激光的应用已经遍 及科技、经济、军事和社会发展的许多领域，发展程度远远超出了当初人们的预 想。在这四十多年的时间里，各种激光器层出不穷，如气体( h e 州e 、a ，、c 0 2 等) 激光器、固体( n d ：y a g 、t i ：s a p p h i r e 等) 激光器、准分子( x e c l 、融f 等) 激光器、 金属蒸汽( c u 等) 激光器、可调谐染料激光器、自由电子激光器、半导体( g a a s 、 i n p 等) 激光器、光纤激光器等。到目前为止，半导体激光器( l d ) 、l d 泵浦的 固体激光器和光纤激光器已成为激光器发展的主流，特别是光纤激光器更以其诸 多优点而成为近几年研究的热点，并在光纤通信、光纤传感和激光加工等众多领 域得到了广泛的应用。 本论文的主要研究方向为工作于1 5 5 0 m 波段的被动锁模光纤激光器，它在 光通信及光传感等方面有着重要的应用价值。 1 1 光纤激光器的研究进展及主要应用 1 1 1 光纤激光器的研究与发展 早在1 9 6 1 年，e s 疵z | e r 就发现了掺钕玻璃波导中的激光现象。不久，他又 报道了铒、镱掺杂光纤中的激光输出f 2 j 。由于早期光纤材料损耗很大，光纤激光 器的发展受到了限制。从上个世纪7 0 年代以来，随着光纤研制技术以及谐振腔结 构的改进，光纤激光器有了很大发展。特别是8 0 年代中期英国s 州m a m p t o n 大学 的s b p o o l e 等人利用m c v d 法制成了低损耗的掺铒光纤i ”，使得光纤激光器的 实用化成为可能，并显示出十分诱入的应用前景。除减轻热效应以外，光纤激光 器可以工作在衍射极限光场模式下，具有与单模泵浦激光二极管的一致性，此外 光纤还可以提供很长的激光作用长度以及相当大的增益带宽。这些完美的优点随 后带来了光学技术领域的一场革命。特别是1 9 8 7 年掺铒光纤放大器的出现【”，不 仅极大地提高了光纤通信系统地传输速率，同时也使得孤子通信系统的实际应用 成为可能扣j 。现在掺稀土元素光纤已经成为广泛应用的固体激光介质之一。 四十多年来，科学工作者为研制高质量的光纤激光器付出了艰辛的劳动。随 着光纤掺杂技术的提高、半导体工艺的完善以及光纤光栅的研制成功【6 1 ，光纤激 光器的设计和制作技术目趋成熟，并逐步商品化。按掺杂稀土元素光纤激光器所 使用的光纤基质材料划分，主要有石英( s j 0 2 ) 玻璃和氟化物玻璃两大类，并以 前者更为普遍。按照稀元素离子能级结构的不同，光纤激光器又可分为三能级 系统和四能级系统。用来掺杂的稀土元素包括：镨( p r 3 + ) 、钕( n d 如) 、钬( h 0 3 + ) 、 南开大学硕士学位论文第一章绪论 铒( e r 3 ) 、铥( t m ”) 和镱( y b ”) 等。按照激光器的结构可以把光纤激光器 分为线形腔和环形腔两大类。 光纤激光器的发展总是与人们在应用时遇到的问题及其带来的各种优势紧 密联系。自二十世纪八十年代末期以来，为了解决普通光纤与泵浦源之间的耦合 问题，一种双包层光纤技术应运而生，并在国际范围内悄然崛起、迅猛发展。双 包层光纤的结构如图1 1 所示，它们比普通光纤增加了个内包层，其横向尺寸 和数值孔径远大于纤芯，包绕在单模纤芯外围，将激光辐射限制在纤芯内：泵光 在内包层中传输，可多次经过纤芯，增加了泵浦长度，泵浦效率大大提高。同时 由于泵光入射面积的增加，允许采用大功率多模半导体激光器作泵源，并且可将 泵光高效率地转换为单模激光输出。由于泵浦机制的重要突破，目前用双包层掺 y b ”石英光纤制成的光纤激光器，己实现了千瓦量级的连续激光输出【7 j ，包层泵 浦技术也成为在光纤激光器中获得高功率输出的最主要手段1 8 。8 1 。 图l1 双包层光纤的结构示意图 1 1 2 光纤激光器的主要优点及应用1 9 2 0 l 由于光纤激光器是波导式结构，可以具有很高增益( 单程增盏可达5 0d b ) 。 稀土元素在玻璃基质中有较宽的发射谱，因而能实现大的调谐范围( y f + 为1 2 5 n m 、t m 3 十 3 0 0r 衄) 。光纤激光器的具体特点如下： 1 光纤作为导波介质，其耦合效率高，纤芯直径小，纤内易形成高功率密 度，可方便的与目前的光纤通信系统高效连接，光纤构成的激光器具有 高转换效率、低激光阈值、输出光束质量好等特点。 2 由于光纤具有很高的“表面积体积”比，散热效果好，环境温度允许在 2 0 十7 0 之间，无需庞大的水冷系统，只需要简单的风冷即可。 3 可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件 下皆可正常运转。 4 由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、外形紧凑 2 南开大学硕士学位论文第一章绪论 体积小，易于系统集成，件能价格比高。 5 ，作为激光介顼的掺杂光纤，掺杂稀土离子和承受掺杂的基质其有相当多 的n j 。调参数和选择性，光纡激光器几j 红很宽光礴范围内( 4 5 5 3 5 0 加嘲) 设计运行加之玻璃光纡的荧光谱相当宽插入适当的波长选择器b i j 可 得到可调谐光纤激光器，调谐范罔最高己达8 0 m 。 6 光纤激光器还很容易实现荜模，单频运转和超短脉冲输出。 7 光纤激光器增益高，噪声小，光纤钊光纤的耦合技术非常成熟，连接损 耗小月增益与偏振无关。 8 比纤激光器具何较好方m n 和温度稳定降。 9 光纤激光器所基十的硅光纤的上艺现在已经非常成熟冈此可以制作 高精度，低损耗的光纤，大大降低了激光器的成奉。 由于光纤激光器的诸多优点，其应用| | 益广泛。在光纤通信系统中，普遍以 半导体激光器作为光源，但是当激光被耦合进入光乡t 时，总是存在着耦合损耗的 问题。光纤激光器则解决了这一难点，凶为光纤到光纤的耦台不仅损耗低、，效率 高，而且非常稳定。尤其是耦合点被熔接以后，效果会史好。另外比纤激光器经 过优化之后。可以实见单纵模连续输m ，波k 在5 0 n m 托同内可讽并保持1 0 k h z 的线宽，而半导体激光器的线宽远大丁o 1 m h z ，并月调谐范围小丁1 0 m 。凶此， 光纤激光3 具有更高的波长精确控制性，更适用于多通道通信系统。锁摸光纤激 光器已经可以输蕈复频率为1 0 g h z ，脉宽为1 0 0 f s 的超短光脉冲可以用十孤 子通信系统。由) 匕纤激光器发剿的孤子在无滤波和无其它控制装胃的情形下能够 以2 5 g b s 的速率传输1 7 6 0 0 k m 。 光纤激光器还可戍用于光传感领域。一般情况卜，光纤激光器以连续波方式 运转、并以卸拉格光纤光栅作为激光谐振眩的反射镜，凼此它的丁作波 之匙出把 纤光栅的反射波长柬决定的，而光纤光栅的反射波长会随外界叫、境温度和应力的 变化i n i 改变。冈此，利用光纤激光器可以实现对温度、应力、麻变、场强、电流 等物理量的传感测量。 光纤激光器在光纤通信领域有重要的应用地化已是小争的事爻，而h 还有向 其它更为广阔的激光应用领域迅速扩展的趋势。为了满足光纤通信、激光加j 二、 激光医疗等领域快速增长的市场需求，荚围、两欧、同奉和我困纷纷加大光纤激 光器的研发力度。尤其是近儿午，美幽i p g 光i u 公司推出的掺y b 高功率光纤激 光器系列，最大激光输功率已经商达几l k w 具有高插头效率，无需机械稳 定，可在各种小同的外界条件下使用，省电、安伞的e 冷却等一系列的优点， 从而在激光加工、光u 探测、生物工程等领域有极大的应用j “景。总之光纾激 光器的应崩范围越来越广泛，如仵计算机和微电子制造业中崩丁各种不l j 类型的 微电子制造加丁和数掘存储加t ：在图像恩示年u 印刷业中用于4 i 变图像的自动记 南开大学硕士学位论文第一章绪论 录、显示及各种类型图像处理应用；在工业制造业中用于传统工业制造加工；在 医药卫生业中用于诊断及治疗( 如对心皿管病心脏造影、激光美容等1 ，在电信 业中用于电信市场的有源和无源的光电子产品等。此外，由于光纤激光器结构小 巧、紧凑，对温度与震动的稳定性好，因此还可以应用于国防与军事领域中。总 之，由于光纤激光器的优良性能，决定了它比结构紧凑、体积小的半导体激光器 和大型激光器( 如各种体积庞大的、普通激光加工和打标使用的c 0 2 和y a g 激光 器) 拥有更多的优势，在光纤通信领域和激光技术领域中已经占据着越来越重要 的地位。 1 2 锁模光纤激光器的分类和研究进展情况 利用锁模技术可以使光纤激光器产生超短脉冲，这是光通信系统中实现时分 复用的关键技术。按照锁模机制的不同，锁模光纤激光器主要可归纳为三类：主 动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器以及主被动混合锁模光纤激光器。下面 分别介绍它们的基本结构和目前的研究进展情况【2 “。 1 主动锁模光纤激光器 所谓的主动锁模光纤激光器主要是指在激光腔内插入主动的调制器件f 如 l i n b 0 3 调制器、声光调制器等) 或外界有相关脉冲注入，利用这些主动因素对激 光腔内光波进行调制来实现锁模。主动锁模又可以分为两类：振幅或相位调制损 耗方法和同步锁模方法，即利用与腔基频相等的重复频率，周期性地调制激光增 益。主动锁模光纤激光器是通信系统产生高重复频率脉冲的首选技术之一。主动 锁模光纤激光器的研究主要集中在谐波锁模技术、波长可调谐锁模光纤激光器和 多波长锁模光纤激光器、锁模光纤激光器的稳定技术、输出脉冲的窄化、超连续 谱光纤激光器等。 p o l 8 r i z a i j c 口t r o ll 盯 图12 主动锁模光纤激光器的典型结构 典型的主动锁模光纤激光器的结构如图1 2 所示【2 2 】。在使用低色散光纤时， 比如中心波长在1 5 5 0n m 的e r 光纤，可以利用环形腔产生超短脉冲。一般光纤长 度不超过l o m ，处理起来也比较方便。为避免偏振态变化，激光腔可以采用保偏 童垄苎童璺圭兰竺篓圭 兰= 兰竺丝 光纤。图中掺铒光纤提供腔内增益。腔内主动的锁模器件是一个高速l i n b 0 3 调 制器( m o d u l a t o r ) ，它对光波的调制方式有两种：一种是振幅调制( 损耗调制) ； 另一种是相位调制。在主动锁模光纤激光器中，产生的脉冲与外界条件决定的射 频调制信号同步。调制器在正弦电压信号驱动下产生周期性的损耗或者周期性的 相位变化，这种周期性的变化与腔内循环脉冲的相互作用导致了锁模脉冲序列的 产生。由于l i n b 0 3 调制器是偏振敏感元件，所以常在调制器前利用一个偏振控 制器( p 0 1 a r i z a t i o nc o n t m l l e r ) 来调节入射到调制器的光场偏振态。光隔离器 ( i s o l a 幻r ) 确保主动锁模掺铒光纤环形腔激光器处于单向运转，也可消除某些光 学元件上产生的反射波带给调制器的不利影响。为了避免超模噪声，可在腔内插 入延迟线。延迟线可精确调节腔长使其与调制频率相匹配。脉冲经光纤耦合器输 出。主动锁模光纤激光器的研究进展如表1 所示。 表l主动锁模光纤激光器的研究进展 年份研究人员锁模方式特点重复频率脉宽备注 1 9 9 8j d k a 承a主动锁模l o o m h z 4p s 主动锁模，n d 光纤 1 9 9 0m ef e 咖a n n 亚p s 利用孤子整形 1 9 9 2h a r v e v e r 光纤，主动锁模 1g h zl op s 全保偏光纤环形腔 1 9 9 5n t t6 3 g h l 主动锁模 8 0 2 0 0 】9 9 6ey o s h i d a 有理数营波主动锁模 g h z 色散渐减，掺e t 光纤， 一y a m a f n o t o 2 0 0 f s 绝热孤子压缩 1 9 9 9 半导体调制， k t c h a n2 0 g h z 有理数谐波锁模技术 半导体调制，非常 2 0 0 0k t c h a nl o g h z 有理数谐波锁模技术 稳定 主动锁模， 2 0 0 1 o d e p 撕s 3g h z3 5p s 长周期光纤光栅带通滤波器 2 0 0 4j 1 怕。 掺e f 环腔，8 波长输出 8 2 0 m h z5 0 0p s噪声小 南开史学硕士学位论丈 第一章绪论 主动锁模光纤激光器要想走向实用化，稳定性问题是必须要解决的。目前看 来，主动锁模光纤激光器的不稳定因素主要来源于以下三个方面：外界环境扰动 引起的腔长变化；激光在谐振腔内偏振态的起伏；与谐波锁模技术相伴的超模噪 声的影响。最常用的控制腔长变化的方法是采取再生锁模技术【2 ”，接着人们又 在此基础上发展出了利用压电陶瓷( p z t ) 来改变光纤腔长的锁相环( p l l ) 技 术。利用这一技术，可以使激光器输出光脉冲的重复频率始终保持不变。 消除偏振态起伏最有效的方法是采用全保偏光纤的谐振腔，即使用保偏掺铒 光纤和保偏单模光纤，偏振有关光隔离器，保偏耦合器和偏振控制器，这些器件 的使用可以有效地提高输出锁模脉冲的稳定性。 超模噪声是影响主动锁模光纤激光器稳定性的一个重要因素，是谐波锁模技 术所固有的一种相位噪声。1 9 9 3 年，s h a n 等人提出用p z t 鼓技术消除超模噪声【2 4 】， 同年，a t t 的h a r v e y 等人又使用了在谐振腔内插入窄带f p 滤波器的方法，使滤 波器的自由光谱区恰好等于调制频率，这样，只有频率与滤波器相匹配的超模才 能振荡【2 5 1 。n o n o d e r a 提出了种用复合腔抑制超模噪声的理论【2 6 1 ，从而有效地 减少了谐波锁模光纤激光器中的超模数。但是o p o t c k z 等人在最近的实验研究中 发现这种复合腔结构对超模噪声的抑制并没有以前报道中的那么有效1 2 ”。2 0 0 2 年j wl o u 等人采用s i g m a 腔结构，实现了主动锁模光纤激光器的多波长输出， 并且波长间隔从3 5n m 到2 4m 可调。脉冲的振幅涨落小于0 5 ，高频下脉冲的 时间抖动小于6 8f s 弘。 2 被动锁模光纤激光器 被动锁模光纤激光器是利用光纤的非性效应作为锁模机制，产生光学脉冲的 宽度较其它锁模方法产生的脉宽更短，激光腔内无需任何的主动器件。它结构简 单，可实现全光器件，并能够充分利用掺杂光纤的增益带宽，理论上讲可直接产 生f s 光脉冲。其不足之处是输出脉冲重复频率不能受外界调控。被动锁模光纤激 光器的分类如图1 3 所示。由于充分利用了光纤激光器的带宽优势，用非线性偏 振旋转以及非线性光纤环镜锁模( 这类锁模又称为克尔类型锁模) 是目前产生的 超短脉冲的有效方法。 r 超品格半导体饱和吸收体 厂饱和吸收体锁模- 多黄子阱放大器 被动锁模l 体半导体饱和吸收体 光纤激光器1 。r 非线性偏振旋转 。加成脉冲锁模 ”一 l 非线性光纤环形镜 图1 3 被动锁模光纤激光器的分类 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 典型的非线性偏扳旋转被动锁模光纤激光器结构如图1 4 所示【2 。利用光纤 中的非线性偏振旋转起到饱和吸收体的作用，可以用s p m 和x p m 效应解释。当 两束或更多柬光波同时在光纤中传输时，它们将通过光纤中的非线性效应发生相 互作用。s p m 效应的产生是因为光波的折射率与其强度有关，x p m 效应的产生 是因为光波的折射率和与之同时传输的其它光波的强度有关。图1 4 中，通过偏 振相关隔离器的光波被p c l 变为椭圆偏振光，它在x 方向和y 方向的偏振分量有不 同的光强，这束椭圆偏振光经过光纤，由于光纤的s p m 和x p m 效应，沿x 方向的 偏振分量和沿y 方向的偏振分量经过相同长度的光纤产生的相移却不同，这就使 椭圆偏振光的偏振态发生旋转。另外，光纤本身的双折射也使在光纤中传播的光 波偏振态发生变化。适当选择p c 2 的位置，使某个偏振态的光波损耗最小，能再 次通过隔离器，并继续振荡，这样就可以利用偏振控制来实现被动锁模。 ou 图1 4 被动锁模光纤激光器结构 u 【l d 利用可饱和吸收体锁模的光纤激光器基本结构与传统的固体锁模激光器相 同，这里不再赘述。非线性光纤环镜锁模光纤激光器将在第四章详细介绍。 被动锁模光纤激光器的研究进展如表1 2 所示。值得指出的是，随着光纤光 栅以及其它光纤器件的研究进展，锁模光纤激光器也得到了进一步的发展。如 1 9 9 5 年美国麻省理工学院e p i p p e n 小组首先提出了这样的一个技术方案：利用 9 8 0n m 半导体激光振荡与放大器，在环形腔内采用大色散量的正负色散光纤( 其 中掺e r 3 + 光纤具有正色散，普通s m f 2 8 光纤负色散) 交替对光脉冲进行展宽与压 缩【3 0 1 ，接着m e f e 珊a n n 等人采用了插入啁嗽光纤光栅作为腔内色敞调整元件 的方案。啁啾光纤光栅的引入使激光器在腔内非线性保持不变的情况下，增大了 色散量，从而得到了高能量超短激光脉冲输出，最大平均功率为1 7 0m w ，脉宽4 p s ，单脉冲能量达l on j 【3 l j 。在2 0 0 0 年o e c c o o 会议上d u gyk i m 报道采用9 0m w 波长为9 8 0n m 的l d 泵浦，在色散不平衡的非线性光纤环形镜中利用分立色散元 件获得了3 2 7f s 的脉冲序列【”】。 在理论方面，被动锁模光纤激光器的研究也得到了蓬勃发展，其中ha h a u s 的研究最有影响。在7 0 年代提出快速可饱和吸收体锁模的理论后p ，h a u s 把该 理论应用于被动锁模光纤激光器【3 ”，提出了著名的锁模方程，使加成脉冲锁模 南开大学硕士学位论文第一章绪论 光纤激光器的研究得到了进一步的深化。 表1 2 被动锁模光纤激光器的研究进展 1 1 9 7 0开始应用饱和吸收体进行被动锁模 j 1 9 9 l m z i m g i b i晶体作为饱和吸收体 脉宽d s 1 9 9 3翘和吸收体a b r a n h a n 多量子阱放大器 量级 3 2 0 f s d e s o u z a # 导体饱和吸收体、e r 保偏光纤 7 l m h z 1 7 lf s 1 9 8 8d o r a n 、w b o d 孤子开关 1 9 9 0m e f e r m a n n 非线性放大环形镜 推线性光纤 d u l i n g 和 非线性放大环形镜2 0 0m w 1 9 9 l年形镜( 放3 t 4 f s5 0 m h z r i c h a r d s o n 9 8 0 i l r r i 泵浦 大镜) 1 9 9 4 c j c h e n 8 字型非线性放大环形镜 9 8 f s1 1 0 m h z 加成锁模 非线性光纤环形镜 1 9 9 6 w a l l g y u h lo h1 0 0 p s 掺n d 双包层纤 1 9 9 2m h o f e r 腔内插入棱镜对 3 8 f s 1 9 9 3r i c h a r d s o n f p 腔、自启动 1 9 9 4t a m u m 环形腔孤子激光器1 0 0 f s e 线性偏振 4 0 m h z 旋转 1 9 9 5 e p 1 p p e n 腔内对脉冲交替展宽与压缩 9 0 f s9 0 m w 加成锁模 22 5n j 1 7 0 m w 1 9 9 5m e f e r m a n n 插入啁啾光纤光栅 4p s 1 0n j 1 9 9 6p k c h e o 光纤光栅耦舍的全光纤激光器6 0p s! 1 3 m h z 1 9 9 9 ) i n g w “h u a n g自匹配加成被动锁模 9 3 0 f s 其它形式 1 4 m h z 2 0 0 0加成锁模 d u g y k i m分立的色散元件 3 2 7 f s 7 4 m w 2 0 0 2 n h s e o n g分立色散元件、色散不平衡几d s3 7 m h z 8 南开大学硕士学住论文 第一章绪论 与主动锁模光纤激光器相比，被动锁模光纤激光器无需调制器件，成本相对 较低，但同样存在不稳定因素：温度以及压力的变化等环境因素造成的扰动，较 长的光纤长度引起的非线性效应的影响等等。为解决这个问题可将光纤的长度缩 短至1 0 米以下，并选用高双折射光纤。 3 ，主被动混合锁模光纤激光器 由于主动锁模光纤激光器的弛豫振荡和超模噪声劣化了输出脉冲的质量，特 别是当采取有理数谐波锁模技术时，在阶数大于2 的情况下，输出锁模脉冲将出 现较大的幅度波动，这种幅度噪声是光纤通信系统所不允许的。为了改善主动锁 模光纤激光器输出脉冲的质量，人们多采用主被动混合锁模的方法，其中“8 ” 字型腔激光器就是种典型的主被动混合锁模激光器结构，如图1 5 所示。主动 锁摸掺铒光纤环形腔激光器加上一个由菲线性光学环行镜( n o l m ) 构成的附腔。 n o l m 中的x p m 效应使其具有饱和吸收体的性质，所以可以被作为被动锁模器 件。为了增大光纤的非线性效应，环中通常加入一段色散位移光纤( d s f ) 。 从主动锁模环中输出的脉冲注入到n o l m 附腔，利用n o l m 的非线性效应来消除 弛豫振荡、超模噪声和幅度波动造成的不利影响，从而获得高质量的锁模脉冲。 图1 ，5 主被动混合锁模光纤激光器结构图 在主被动混合锁模光纤激光器方面，1 9 9 1 年d a v e y 等人利用主动锁模和孤子 传输技术，得到了脉宽o 9p s 、重复频率2 2 0g h z 的脉冲序列f 3 7 1 。1 9 9 5 年报道了 m ，f e m 踟等人研究出混合锁模光纤激光器系统。利用脉冲泵浦方式，采用偏振 保持光纤和半导体饱和吸收体，最终得到了3 6 0f s 脉宽、2 7m h z 重复频率、单脉 冲能量6 0p j 的脉冲【2 4j 。2 0 0 1 年l w 缸g 等人将同步锁模技术和非线性光纤环形镜 有机结合，得到了1 3p s 转换极限的孤子脉冲f 3 8 】。 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 4 咆层泵浦锁模光纤激光器 原则上来讲，包层泵浦锁模光纤激光器也可以归类于以上三种锁模类型。但 是为了与传统的锁模光纤激光器相区分，我们把它单独列出。 对于许多应用来说，提高光源的能量和输出功率是很重要的。但是，要想直 接从锁模光纤激光器中得到高功率超短脉冲受到了光纤中各种非线性效应的限 制。人们将包层泵清技术应用在超短光纤激光系统的研究中。双包层掺杂光纤作 为增益介质，在腔内进行色散调整，直接产生超短脉冲。 l ， 光纤激光器产生光脉冲的能量是由光纤的饱和能量决定的：e 。= ：二竺，其 仃 中 睫光子能量，爿是光纤截面面积，醍受激发射截面。采用包层泵演大芯、 大模面积光纤，利用其非线性作用较小的特点可以进一步增大光纤光通量。例如 比较适合脉冲激光器的大模面积掺杂光纤，由于采用了较低的数值孔径( o 0 5 o0 8 ) ，其模式面积远远大于传统数值孔径( 0 2 ) 的掺杂光纤，同时增加外环折 射率可以降低弯曲损耗，从而进一步扩大了基模尺寸。包层泵浦锁模光纤激光器 的研究进展如表1 3 所示。 表l - 3 包层泵浦锁模光纤檄光器的研究进展 5 0 m h z 1 9 9 6me f e m a n ne r ，y b1 0 0 f s 1 5m w 1 9 9 6m e f e n n a n n e r2 0 0 f s1n j 1 9 9 8p g i a sn d2 0 0 f sl o o m w 3 0 m h z jd s 1 9 9 8 m h o f e re r ，y b5 0 m w 1 3 0 f s ( s m f 2 8 ) 12 n j ( s m f 2 8 ) 2 0 0 1a h i d e u ry b 2 0 0 2a h i d e u ry b lp s 5 4 m h z 2 0 0 2l l e f o r ty b1 1 0f s3m w 6 0 口j 2 0 0 3b n l e n do n a cy b9 0 f s 特别需要指出的是直到2 0 0 1 年才报道了a h i d e u r 等人采用环形腔观察到y b 双包层光纤激光器的连续、调q 、锁模以及不稳定输出的不同工作状态，实验装 置如图1 6 所示口9 1 。他们还利用边泵浦技术，采用腔内插入色散延迟线的方法， 直接得到了亚p s 脉冲4 “。 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 一t 盘毫 图1 6 包层泵浦y b 光纤激光器环形腔示意图 l l e f o r t 等人也报道了低噪声展宽脉冲掺y b 光纤激光器。他们用图1 7 所示的 实验装置得到了脉宽小于l l of s 、重复频率5 4m h z 、平均功率3m w 、单脉冲能 量6 0p j 的超短脉冲4 ”。这种方法存在着一定的限制，主要原因是双包层光纤的 内包层尺寸较普通光纤大很多，与普通光纤耦合得不好，但近年来可以使用熔融 拉锥技术解决这一问题。 辅湛 n 图1 一连续泵浦掺n d 光纤激光器 1 3 本论文的主要研究内容 本论文主要对光纤激光器及其被动锁模进行研究，内容可归纳如下： 1 结合e r y b 共掺光纤中的稳态速率方程和功率传输方程，利用m a t l a b 软件编 程，分别对线形腔和环形腔结构的双包层e r ，y b 共掺光纤激光器的输出特性进 行了数值模拟。 2 对一种用m a c h z e 1 n d e r 干涉仪调q 的全光纤掺e r 激光器进行了数值模拟，分别 研究了泵浦功率、重复频率、掺杂光纤长度以及腔长对脉冲峰值功率及脉宽 的影响。 3 ，对非线性光纤环镜的特性进行了分析，利用非线性光纤环镜作为可饱和吸收 体在环形腔掺e r 光纤激光器中实现了锁模输出，得到了中心波长1 5 6 2 啪，谱 宽2 8n i n 、重复频率为1 1m h z 的脉冲序列。 4 利用锁模方程，对被动锁模光纤激光器的自启动特性进行了研究，得出了实 南开大学硕士学位论文第一章绪论 现自启动的条件。 5 分析了波长扫描锁模光纤激光器的工作原理，并在一定的近似f ，编程模拟 了腔内脉冲产生的演化过程。 6 在波长扫描锁模光纤激光器的实验中得到了重复频率2 5m h z ，波长扫描范围 1 5 2 7n m 一1 5 3 4m 的稳定脉冲序列。 参考文献 1 es n i n z e r ，o p t i c a lm a s e ra c t i o no fn d j 十i nab a r i u mc r o w ng l a s s ，p h y s r e v l e n ，1 9 6 1 ，7 ( 1 2 ) ：4 4 4 4 4 6 2 es n i t t z e r ，e t c y b + e r j + g l a s sl a s e r a p p l p h ”l e t t ，l9 6 5 ，6 ( x ) ：4 5 4 6 3 sbp 0 0 l ，dnp a 舯e ，mef e m a n n f a b r i c a t i o no fl o w - 1 0 s so d t i c a lf i b e r s c o n t a i n i n gr e 小e a m li o n ，1 9 8 5 ，2 l ( 1 7 ) ：7 3 7 - 7 3 8 4 rjm e a r s ，lr e e l 【i e ，imj 籼c e y ，da 1 l o w m o i s ee r b i u i l l 一d o p e df i b e ra m p l i 矗e r o p e r a