激光纵模技术 单纵模 多纵模.doc

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1、一、单纵模在光纤激光器中，具有极窄输出线宽的单频光纤激光器是激光器发展的重要方向之一。单纵模窄线宽光纤激光器是指激光以腔内振动单一纵模的形式输出，其特征是激光光谱线宽非常狭窄，最高可达到10-8nm，比现有窄线宽DFB激光器的线宽还要窄两个数量级，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽要窄5～6个数量级。窄线宽单纵模光纤激光器可以保证激光具有极好的相干特性，其相干 可达数百公里。窄线宽光纤激光器可望在超高精和超远距离激光测距、光纤传感及光纤通信领域具有极其广泛的应用前景：   　（1）目前大多数激光测距仪是基于脉冲激

2、光的光时域反射原理，即通过测量激光脉冲发射和经目标反射回接收器的时间差进行测距，这种测量的精度一般为1-10米，测量距离（军用）仅有10-20公里。这主要受限于激光的脉冲宽，激光脉冲越短，测量精就越高，但同时激光线宽也大大增加，增大了探测的噪声，迅速降低了动态探测距离。如果利用单纵模光纤激光器作为探测光源，基于频率调制连续波技术和光波相干原理，则能实现几百公里、精度小于1米的探测。   　（2）对于光纤传感，同样可以利用频率调制连续波技术和光波相干原理，实现超高精、超远距离以及微弱信号的测量。如图1所示，单纵模窄线宽光

3、纤激光的一部分被耦合进一个有固定反射率的参考臂中，该参考臂充当本地振荡器LO），另一根光纤充当传感光纤。从传感光纤反射回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混频产生一个光拍频，该拍频与它经的时间延迟差相对应，传感光纤上远处的信息就可以通过测量拍频来获取。利用这种技术进行探测，可实现敏感-100dB 百亿分之一）的信号测量。基于单纵模窄线宽光纤激光器的光纤传感技术，可广泛应用于石油天然气管道的泄漏监测全球现有500万公里石油天然气管道，目前依靠人工巡逻的方式进行监测）、电力系统的输电损耗监测（由于当前的高压线路缺乏精确的

4、温压力探测，每年损失电能上千亿美元）、核电站的安全监测未来（主要能源之一）、油井的温和压力实时监控等。   　（3）另外，在光纤通信中，目前商用光源的激光线宽为0.2nm（20dB），尽管DWDM技术的应用大大提高了信息传输的信道数，但由于信号光源激光线宽的限制，其在C波段也仅有80信道。为了适应当前和未来社会对于海量信息传输和处理的要求，需要不断拓展光纤的带宽（如，当前世界各正在研究的超宽带（S+C+L）光传输技术）。利用单纵模窄线宽光纤激光器作为通信光源，为我们解决该问题提供了另一种技术途径。单纵模窄线宽光纤激光的

5、线宽仅为目前商用通信光源线宽的十万分之一，这可以大大减少信道的宽和信道之间的间距，仅在C波段就可以将光纤通信的信道数提高几个数量级，此外，该激光器极窄的线宽减小了传输过程中光纤的色散，更有利于远距离传输。   　窄线宽光纤激光器巨大的潜在市场和广阔的应用前景引起了世界各的广泛关注，美、英、丹麦、加拿大、澳大利亚、德等西方发达家相继投入了大量人、财、物力开展了大量研究工作。2005年，美某一公司推出了基于新光纤材料的窄线宽光纤激光器，其输出功率可达几百毫瓦，是当时最好的窄线宽光纤激光器输出功率的上百倍。2008年，华南理

6、工大学光通信材料研究主持的市科技攻关计划重点项目“单纵模光纤激光器的研制”取得重要突破，成功研制出输出功率大于230mW、输出线宽小于2kHz的单频窄线宽光纤激光器，该研究成果的关键技术被刘颂豪院士为组的鉴定专家组鉴定为际领先水平。由于高性能单纵模窄线宽光纤激光器在军事等敏感领域有着广阔的应用需求，外在核心技术和核心材料方面对我实行禁运，产品进口受到限制，研究研制并建设发展具有我自主知识产权的单纵模、窄线宽光纤激光器及设备生产线具有极其重要的意义。一、多纵模为了获得更好的单色性和相干性的激光束，要求激光以单频振荡，在一

7、般情况下，多横模激光器是一个多频激光器，而多纵模激光器的频率间隔则更大。激光器的振荡纵横数目，由腔长、工作物质的增益线宽和激励水平等因素所决定。因为只有处于增益线宽内的那些纵模频率才有可能真正起振，形成多纵模振荡。假设由增益线宽和激励水平（阈值）所决定的激光振荡的大致频率范围为Δv，腔所允许的相邻两振荡的纵模频率间隔为δv，则实际起振的纵模数目为Δv/δv。有此可见，减少振荡纵模数（即选纵模）可通过两条途径来实现：一是设法压缩激光器的增益带宽Δv；二是设法增大相邻两振荡纵模之间的频率间隔δv。输出激光的调谐范围为608

8、~628nm，重复频率为5kHz，脉冲能量为pJ量级。采用长腔可以获得多纵模激光输出，从而实现更广泛的应用。在超辐射情况下,多纵模光抽运D_2O与单纵模光抽运相比,前者的亚毫米波激光谱线较宽;在腔式的情况下,单纵模和多纵模光抽运D_2O的亚毫米波激光谱线都进一步展宽,在频谱曲线上均呈现与多纵模结构对应的多个尖峰。光抽运亚毫米波(S