论文部分内容阅读
单纵模(SLM)窄线宽光纤激光器以其相干性好、可调制速率高、增益大、光谱稳定和抗干扰能力强等优点,在长距离光纤传感、相干光通信、光载无线通信、高精度光谱表征、激光雷达、光纤遥感等领域得到广泛的应用。其中,处于2μm波段的SLM窄线宽掺铥光纤激光器(TDFL)同时还具有大气透过率高和人眼安全的特点,因而在近地表空间光通信和激光雷达等领域中具有十分重要的应用价值。由于激光线宽关系到其可承载信号调制速率及激光雷达空间分辨率等关键技术指标,因此准确测量激光线宽对于提升激光器性能,从而提高空间光通信速率和激光雷达的空间分辨率,具有十分重要的意义。本论文针对2μm波段激光器,开展激光线宽精确表征方法的理论和实验研究,并将其应用于自制2μm波段光纤激光器线宽的测试。同时,研究了 2μm波段SLMTDFL应用于光纤传感的特性。主要的研究成果和创新点如下:1.研究了激光光谱线宽与相位噪声的内在联系,阐述了基于相位噪声测量线宽的基本原理。推导了激光器线宽与频率噪声功率谱密度、相位噪声功率谱密度之间的关系,得出通过测量激光器相位噪声来计算激光线宽的方法。分别对线形腔光纤激光器与环形腔光纤激光器的输出激光谱线进行了数值仿真与特性分析,详细讨论了影响激光光谱线宽的因素,得出压窄激光器输出线宽的理论依据。2.提出一种基于相位噪声解调的2μm波段激光线宽测量方法,并建立了基于3×3耦合器的全保偏型2μm波段激光线宽测量系统。通过测量2μm波段激光器的相位噪声与频率噪声,解算出激光器的输出激光线宽。全保偏结构可有效消除外界环境扰动导致的偏振态随机变化而引起的信号衰落,同时简化了光路结构。仿真结果表明,加入去噪算法后,在相位信号未考虑与考虑噪声的两种情况下,解调结果与预设给定值吻合度较高,前者估计误差为±0.1rad,后者估计误差为-0.17rad～0.15rad之间。实验测试结果与仿真结果相符,二者的相位波动功率谱密度吻合度高,相关系数为0.98;10组重复实验结果与仿真结果的相关系数皆在0.98以上;随机两两组合10对实验结果之间的相关系数均在0.99以上。3.对2μm波段光纤光栅、光纤光栅F-P滤波器、相移光纤光栅滤波器的输出特性进行理论推导和仿真研究。提出了一种基于光纤光栅F-P滤波器与饱和吸收体的线形腔SLMTDFL结构;激光器在室温下处于稳定的SLM输出状态,其中心波长为1942.01nm、3dB带宽为0.06nm、光信噪比约为50dB。提出并建立了一种基于光纤光栅F-P滤波器与饱和吸收体的环形腔SLM TDFL,并应用自制的线宽测量系统对该激光器的输出线宽进行了测量;结果表明,激光器在室温下处于稳定的SLM输出状态,输出激光中心波长为1942.03nm、光信噪比为60dB;当测量时间为0.001s时,得到的线宽为47kHz。4.提出并建立了一种基于相移光纤光栅滤波器的环形腔SLM TDFL。在无需饱和吸收体的情况下,利用相移光纤光栅的窄带滤波性能和一个子腔获得了稳定的SLM运转。实验结果表明,输出激光的中心波长为1941.80nm,光信噪比约为60dB。在0.001s的测量时间下,测得此激光器输出线宽为41kHz。在此基础上加入饱和吸收体,提出并建立了一种基于相移光纤光栅滤波器与饱和吸收体的环形腔SLM TDFL,当测量时间为0.001s时,测得激光器输出线宽为18kHz,证明了饱和吸收体具有进一步压窄激光线宽的作用。5.提出一种基于Sagnac干涉仪滤波器的2μm波段SLM光纤激光器用于温度传感方法,运用其中保偏光纤对温度的敏感性,基于激光波长随温度的变化实现温度测量;结果表明,当温度升高时激光器波长向短波长方向移动,温度灵敏度为2.09nm/℃C,高于1.55μm波段的光纤温度传感器。提出一种基于F-P光纤干涉仪滤波器的2μm波段SLM光纤激光器用于微位移传感方法;当位移增加时,激光器谐振波长向长波长方向漂移,实验测得其微位移传感灵敏度(单位位移所产生的激光器谐振波长变化量)为33nm/μm。