【摘 要】
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受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)效应是一种典型的非线性现象,具有低阈值功率,高转换效率,超窄增益线宽等优点。基于SBS效应的布里渊光纤激光器融合了这些优点,目前已在多个领域中得到了应用发展。其中多波长布里渊光纤激光器因为可在一根光纤中同时传输多个光波信号而成为了密集波分复用系统中极具竞争力的光源之一。光纤作为布里渊光纤激光器的增益介质,其组成
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受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)效应是一种典型的非线性现象,具有低阈值功率,高转换效率,超窄增益线宽等优点。基于SBS效应的布里渊光纤激光器融合了这些优点,目前已在多个领域中得到了应用发展。其中多波长布里渊光纤激光器因为可在一根光纤中同时传输多个光波信号而成为了密集波分复用系统中极具竞争力的光源之一。光纤作为布里渊光纤激光器的增益介质,其组成和性能参数不断被优化。多模光纤较单模光纤需要更高的入射功率才能发生SBS效应,而普通的石英单模光纤(SMF)由于非线性系数较低,需要较高的泵浦功率和较长的光纤长度才能有效激发SBS效应。但较高的泵浦功率易导致器件管理复杂,系统稳定性降低和能耗增加等等,较长的光纤也不利于器件小型化。近些年,研究者们开始探索基于新型高非线性特种光纤的SBS效应及其应用。降低SBS阈值的有效方法是减小光纤的有效模场面积(Aeff),增大非线性的有效方式就是寻找高折射率、低Aeff的新型光纤。本文选取了小纤芯直径SiO2光纤和高非线性小纤芯As2S3光纤作为研究对象,对比研究了其SBS效应及相关特性。论文的主要研究内容及创新点如下:(1)搭建基于SiO2光纤的F-P腔布里渊光纤激光器,测量并对比研究了三种纤芯直径单模SiO2光纤(8.8,5和3mm)的布里渊特性参数,包括SBS阈值Pth,布里渊频移n和线宽(35)n。结果表明,小纤芯直径光纤能有效降低Pth,展宽(35)n,而纤芯直径对n的影响要远小于纤芯掺杂的影响。(2)借助了Comsol软件对Aeff,声光重叠积分I和阈值增益因子Gth对Pth的影响进行有限元仿真。结果表明具有较高数值孔径(NA)的小纤芯光纤在相对较短长度时能有效降低Pth。(3)使用了纤芯直径为5mm的小纤芯As2S3光纤构建了一个多波长布里渊光纤激光器。通过优化耦合方案,选取与As2S3光纤NA和Aeff相匹配的非线性光纤,使之与单模光纤耦合构建成模场适配器(MFA),再与As2S3光纤进行对接耦合,构建低损耗腔。最终获得了插入损耗为0.5 d B,耦合损耗为2.4 d B的低损耗耦合结果。(4)对比研究了有无腔反馈条件下,基于小纤芯As2S3光纤的布里渊光纤激光输出功率和Stokes通道数。结果表明在定制的MFA耦合下,具有腔反馈的激光转换效率(42.6%)较无腔反馈的激光转换效率(26.4%)高得多且Stokes通道数也增加了2倍多,因此,腔反馈能有效的提高多波长激光输出效果。最终,在2.5 W的泵浦功率下,实现了1W以上的高功率输出和20个波长的多波长激光输出。该结果为基于特种光纤的低阈值布里渊光纤激光器提供了科学的参考。
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