多波长掺铒光纤激光器及宽带光源理论和实验的研究

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1、国内图书分类号：TN242学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工学博士学位论文多波长掺铒光纤激光器及宽带光源的理论和实验研究博士研究生：田佳峻导师：姚勇教授申请学位：工学博士学科：物理电子学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2010年10月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN242U.D.C:530DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHEORETICALANDEXPERIMENTALSTUDYONMULTIWAVELENGTHER

2、BIUM-DOPEDFIBERLASERANDBROADBANDSOURCECandidate：TianJiajunSupervisor：Prof.YaoYongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：PhysicalElectronicsAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：October,2010Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTech

3、nology摘要摘要因为在光纤通信、光纤传感、光学检测、微波光子学及光谱分析等领域具有广泛的应用前景，多波长掺铒光纤激光器成为近年来研究的热点。然而，在室温条件下掺铒光纤具有均匀展宽特性，会引起强烈的模式竞争，无法得到稳定的多波长激射。为了克服这一技术壁垒，各国的科学家先后提出了多种抑制模式竞争的方法。强度相关损耗效应是近几年来提出的一种获得室温稳定多波长掺铒光纤激光器的有效手段。这项技术通过在谐振腔内插入或构造具有强度相关损耗输出特性的光学元件或结构来抑制模式竞争，比如能量非对称型的非线性光纤环镜（基于自相位调制效应）或偏振

4、控制器-单模光纤-偏振控制器-光纤起偏器的结构（基于非线性偏振旋转效应）。此类激光器具有输出波长数目及信号频谱位置可调谐、输出波长数目多、功率平坦性及稳定性强等优点，因而引起了研究者广泛的关注。然而目前对此类激光器的研究主要集中在实验方面，对波长数目及频谱可调谐的原因及物理过程还没有形成统一的认识，更没有研究此类激光器理论模型。为了弥补这一领域的空白，本文采用理论结合实验的方法对此类激光器进行了研究，具体研究内容如下：首先本文提出了一种新型的基于强度相关损耗特性的多波长掺铒光纤激光器。系统采用能量对称型的非线性光纤环镜（基于非

5、线性偏振旋转效应）作为幅度均衡器抑制模式竞争。分析了此类非线性光纤环镜应用于多波长激光器中时谐振腔内需要满足的光场偏振态及偏振演化条件。系统获得了3dB带宽内的13条波长的稳定输出，半小时内单波输出功率波动小于0.6dB。通过调整非线性光纤环镜的的工作状态，可实现多波长系统的输出波长数目及频谱的可调谐操作。其次本文在实验的基础上建立了基于能量对称型非线性光纤环镜的多波长掺铒光纤激光器的理论模型。在此理论模型的基础上分析了能量对称型的非线性光纤环镜的强度相关损耗特性的输出特点，研究了强度相关损耗中的均匀损耗和非均匀损耗对多波长系

6、统的作用及影响。研究了多波长输出数目及信号频谱可调谐的原因及物理过程。分析了非线性光纤环镜的工作状态（包括入射偏振态、4波片的转动角度、单模光纤长度）、内腔损耗、泵浦功率等因素对多波长输出特性的影响，并对系统输出特性的优化进行了研究。再次，本文在实验和理论研究的基础上，提出了一种利用泵浦功率精细控制-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文输出波长数目的多波长波长可调谐光纤激光器。通过调整不同泵浦功率的能够精细的控制谐振腔内的强度相关损耗的大小，实现在固定光谱区域内波长数目的控制，当泵浦功率从53mW增加到410mW时，得到了波长

7、数目从1～7的连续变化。理论分析表明，是激光器谐振腔内的强度相关损耗特性导致这一现象。此外，根据非线性光纤环镜的工作特性，本文提出了一种基于强度相关透射的线性腔多波长掺铒光纤激光器。利用能量对称的非线性光纤环镜的强度相关透射特性在线性腔中引入了强度相关的输出损耗。这一特性可有效的抑制模式竞争。实现了3dB带宽内的16条波长的稳定输出，单波一个小时内的功率波动小于0.7dB。输出的波长数目和输出功率都可以通过非线性光纤环镜的工作状态进行调节。最后本文提出了一种新型的宽带平坦自发辐射光源。系统采用能量对称型的非线性光纤环镜作为幅度

8、均衡器，利用其强度相关的动态损耗特性对掺铒光纤中的自发辐射谱进行平坦滤波。研究了在掺铒光纤不同增益条件下（不同泵浦功率、不同的掺铒光纤长度）该技术的光谱平坦展宽效果。在泵浦功率100mW，铒纤长度为15m的条件下，采用单极泵浦结构利用此技术获得了3dB带宽超过50nm光谱范围