Er<'3+>/Yb<'3+>共掺窄线宽光纤激光器的理论及实验研究

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窄线宽光纤激光器具有低阈值、低噪声、高信噪比、高温度稳定性和便于小型化等优点,在光纤通信系统、相干检测系统、相位型光纤传感系统及光谱学等领域中引起了广泛的研究兴趣。饵离子激射波长范围覆盖C+L通信波段(1520~1610nm),而Er3+/Yb3+共掺的机理能够获得更高效率的激射输出,所以利用Er3+/Yb3+共掺单模磷酸盐光纤制成的窄线宽光纤激光器近年来已经成为高速光通信系统和高密集波分复用系统中极具吸引力的光源。本文围绕Er3+/Yb3+共掺稳定连续的1550nm波段窄线宽光纤激光器开展了大量的理论和实验研究:   探讨了窄线宽光纤激光器的选频机理,包括工作介质增益谱选频、谐振腔反射谱选频、模式竞争选频等。   利用Er3+/Yb3+共掺能级跃迁模型,针对自制的Er3+/Yb3+共掺单模磷酸盐光纤,采用速率方程和传输方程对光纤激光器工作过程进行了数值模拟,分析了激光器谐振腔输出端对激光的反射率、工作介质光纤的长度、泵浦光重叠因子等对激光输出的影响。   首次利用长度仅为1cm的自制的Er3+/Yb3+共掺单模磷酸盐光纤作为工作介质,获得了比较大的纵模间隔,同时不断优化谐振腔结构以及泵浦方式,最终利用光纤光栅和二色镜共同组成新型的谐振腔,在获得良好选频能力的同时保证较大激光功率输出。   在实验中,解决了1cm长磷酸盐光纤的封装以及泵浦光的耦合问题,同时对光纤端面的研磨、清洁,实验装置的小型化、固化等进行了探讨,参与研制了窄线宽光纤激光器样机,并对其性能进行了测试,探讨了今后改进的方法。   在线宽测量方面,本文利用数值模拟的方法研究了零拍法测线宽系统的特点,并进行了改进,提出了用零拍法判别被测激光是否为单纵模激光的观点,最后利用自行设计的零拍法系统对激光线宽进行了较为精确的测量。   本文研究了多种实验方案,最终采用单模980nmLD作为泵浦源,利用光纤光栅、二色镜、1cm长自制的Er3+/Yb3+共掺杂单模磷酸盐光纤组成谐振腔,构成了窄线宽光纤激光器。该激光器泵浦阈值为28mw,最高输出功率达42.2mW,斜率效率大于23.5%,输出激光的中心波长为1535.18nm,利用零拍法进行测量得其线宽小于10kHz,实验结果处于国内领先水平。
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