基于布里渊掺铒光纤激光器的相位噪声抑制技术研究

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高相干型光纤传感系统因其具有灵敏度高、动态响应快、抗干扰能力强、保密性好等优点,被广泛应用于自动控制、在线检测、故障诊断、医学检查以及安全报警等方面。但随着传感系统的不断优化以及检测灵敏度的不断改善,激光光源的相位噪声成为传感系统主要噪声源。基于较窄布里渊增益谱(20MHz)的布里渊掺铒光纤激光器(BEFL,Brillouin Erbium Fiber Laser),具有超窄线宽、超低相位噪声的特性,有望成为相干型传感领域光源的重要选择。本论文从高相干光学领域对超窄线宽、超低相位噪声激光的需求出发,同时结合布里渊光时域反射系统等布里渊分布式传感系统的潜在应用,针对使用一段掺铒光纤同时提供布里渊增益和线性增益的紧凑型超短腔BEFL展开研究,从理论和实验上研究了它的基本工作特性,分析获得稳定单纵模BEFL激光输出的各结构参数条件,研究其相位噪声抑制特性以及改变掺铒光纤长度和窄带滤波器带宽对BEFL相位噪声的影响,并研究了两级BEFL激光器级联后的相位噪声抑制能力。使用不可调谐较宽带滤波器,超短腔BEFL实现了超窄线宽、超低相位噪声、单纵模激光输出。论文主要研究工作及创新点如下:(1)对超短腔BEFL的基本工作特性进行了研究,得出激光器工作阈值及输出功率与泵浦光功率之间的关系;从模式竞争的角度研究泵浦光功率、窄带滤波器带宽等各结构参数对激光器输出模式的影响。实验研究了不同滤波器带宽下稳定BEFL模式输出的布里渊泵浦波长工作范围,实现了一台使用带宽3nm滤波器的稳定输出布里渊斯托克斯激光的超短腔BEFL。(2)理论分析、实验研究了超短腔BEFL的相位噪声抑制和线宽压缩能力。实验结果表明超短腔BEFL对于相位噪声大于-30 dB/Hz1/2(@1kHz、光程差185m)的布里渊泵浦光具有53dB的相位噪声抑制能力,可将线宽较宽、相位噪声较高的半导体激光器布里渊泵浦源转化为线宽Hz量级,相位噪声-80dB/Hz1/2(@1kHz、光程差185m)的超窄线宽、超低相位噪声布里渊斯托克斯激光。(3)实验研究了布里渊泵浦光功率、掺铒光纤长度、滤波器带宽等激光器参数对BEFL相位噪声抑制能力的影响,发现掺铒光纤长度4m的BEFL有较好的相位噪声抑制效果,滤波器带宽增大至3nm会削弱BEFL相位噪声抑制能力。(4)搭建两级BEFL级联激光器,实验结果表明级联后BEFL的相位噪声与单一BEFL的相当,均为-100dB/Hz1/2(@1kHz、185m光程差归一化到10m)。
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