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被动调Q光纤激光器具有结构紧凑、稳定可靠的特点,在工业加工、激光雷达以及测距遥感等领域具有重要作用。其中受激布里渊散射自调Q光纤激光器以无波长限制、低成本、全光纤结构的优势受到研究人员的广泛关注,但是其随机输出特性严重限制了此类激光器的发展。本文为克服受激布里渊散射自调Q激光器的随机输出缺陷,从仿真和实验方面研究了基于受激布里渊散射的自稳定调Q光纤激光器及其输出调谐特性。
本文首先从基本原理出发,介绍了被动调Q技术及其实现手段。通过数值仿真,讨论了被动调Q激光器内部反转粒子数的变化过程以及脉冲序列的产生原理。分析了与受激布里渊散射调Q激光器相关的物理效应,讨论了这些效应的起源和物理过程。
在此基础上,建立了完善的受激布里渊散射调Q激光器数值仿真模型。通过耦合的偏微分方程组对受激布里渊散射引起的调Q过程进行了详细分析。通过传统的边界条件成功复现并分析了传统受激布里渊散射调Q激光器的随机脉冲及其相关特性。最后基于分析提出了改进的边界条件,使得模型输出了稳定的调Q脉冲序列。仿真表明,采用改进的边界条件后,输出脉冲重复频率的不稳定性从8.24%降低至0.86%,峰值功率的不稳定性由43.42%降低至1.36%。
基于数值仿真结果的指导,提出了采用两根端面未接触的光纤跳线组成法布里珀罗干涉仪来产生合适边界条件的方案。在传统的受激布里渊散射调Q激光器的结构基础上加入上述的法布里珀罗干涉仪,实验时通过调节法布里珀罗干涉仪的腔长,成功使得受激布里渊散射调Q激光器输出了重复频率、峰值功率均相当稳定的脉冲序列。与传统SBS自调Q激光器的稳定方法相比,在腔内加入FP干涉仪能以低廉的成本高效地实现输出脉冲的稳定,此外全光纤结构提升了激光器整体的稳定性,并且方便与其他系统集成。实验测得输出脉冲射频谱的信噪比可高达68.12dB,证明该类激光器具有较高的稳定性。在600mW的泵浦下,激光器实现了55mW的平均功率、3.5μJ的单脉冲能量输出。此外,论文还设计并实现了环形结构的自稳定受激布里渊散射调Q激光器,并分析了输出脉冲的光谱特性。
最后,研究了自稳定的受激布里渊散射调Q激光器的调谐特性。在固定的泵浦功率下,精细调节法布里珀罗干涉仪的腔长可以使得激光器输出调Q脉冲的重复频率产生连续显著的变化。实验表明,泵浦功率越高,输出脉冲重复频率的调谐范围也越大。在600mW的泵浦下,法布里珀罗干涉仪的腔长调节长度小于3μm,重复频率可从12.38kHz连续变化到35.32kHz。如此显著的重复频率变化表明,自稳定的SBS调Q激光器可以应用于应力传感、环境监测以及气体探测等领域。论文还分析了在法布里珀罗干涉仪腔长调节过程中重复频率和脉冲宽度的相对稳定性,并讨论了单脉冲能量和脉冲宽度的线性变化关系。
本文首先从基本原理出发,介绍了被动调Q技术及其实现手段。通过数值仿真,讨论了被动调Q激光器内部反转粒子数的变化过程以及脉冲序列的产生原理。分析了与受激布里渊散射调Q激光器相关的物理效应,讨论了这些效应的起源和物理过程。
在此基础上,建立了完善的受激布里渊散射调Q激光器数值仿真模型。通过耦合的偏微分方程组对受激布里渊散射引起的调Q过程进行了详细分析。通过传统的边界条件成功复现并分析了传统受激布里渊散射调Q激光器的随机脉冲及其相关特性。最后基于分析提出了改进的边界条件,使得模型输出了稳定的调Q脉冲序列。仿真表明,采用改进的边界条件后,输出脉冲重复频率的不稳定性从8.24%降低至0.86%,峰值功率的不稳定性由43.42%降低至1.36%。
基于数值仿真结果的指导,提出了采用两根端面未接触的光纤跳线组成法布里珀罗干涉仪来产生合适边界条件的方案。在传统的受激布里渊散射调Q激光器的结构基础上加入上述的法布里珀罗干涉仪,实验时通过调节法布里珀罗干涉仪的腔长,成功使得受激布里渊散射调Q激光器输出了重复频率、峰值功率均相当稳定的脉冲序列。与传统SBS自调Q激光器的稳定方法相比,在腔内加入FP干涉仪能以低廉的成本高效地实现输出脉冲的稳定,此外全光纤结构提升了激光器整体的稳定性,并且方便与其他系统集成。实验测得输出脉冲射频谱的信噪比可高达68.12dB,证明该类激光器具有较高的稳定性。在600mW的泵浦下,激光器实现了55mW的平均功率、3.5μJ的单脉冲能量输出。此外,论文还设计并实现了环形结构的自稳定受激布里渊散射调Q激光器,并分析了输出脉冲的光谱特性。
最后,研究了自稳定的受激布里渊散射调Q激光器的调谐特性。在固定的泵浦功率下,精细调节法布里珀罗干涉仪的腔长可以使得激光器输出调Q脉冲的重复频率产生连续显著的变化。实验表明,泵浦功率越高,输出脉冲重复频率的调谐范围也越大。在600mW的泵浦下,法布里珀罗干涉仪的腔长调节长度小于3μm,重复频率可从12.38kHz连续变化到35.32kHz。如此显著的重复频率变化表明,自稳定的SBS调Q激光器可以应用于应力传感、环境监测以及气体探测等领域。论文还分析了在法布里珀罗干涉仪腔长调节过程中重复频率和脉冲宽度的相对稳定性,并讨论了单脉冲能量和脉冲宽度的线性变化关系。