分布反馈光纤激光器的特性研究与优化设计
【摘要】经过几十年的努力和发展,光纤激光器及光纤放大器已经走出实验室,被广泛的应用在了通信、传感、医疗以及工农业等领域。近年来随着掺杂光纤制作技术及光纤光栅刻写技术的发展,在光纤上直接写入光栅而构成线型腔光纤激光器的技术也越来越成熟。而线型腔光纤激光器具有体积小、重量轻、噪声低、线宽窄以及易于大规模组阵复用等优点,而被广泛的应用在光纤激光传感领域。分布反馈光纤激光器(DFB)是在一段掺杂光纤上直接写入一个π相移光栅而构成的线型腔光纤激光器,这类激光器的谐振腔长度都在厘米量级,且输出激光都是窄线宽低噪声的高相干光。DFB光纤激光器由于具有灵敏度高、抗电磁干扰、动态监测范围大、易于大规模组阵复用等优势被广泛应用在光纤传感领域。由于DFB光纤激光器是国内研究起步较晚的一种新型结构激光器,对其特性进行详细的分析和研究,对它的实际应用推广是十分重要的。在本论文中,我们就对DFB光纤激光器的特性进行了详细的理论及实验研究。本文的主要研究成果如下：1.围绕着谐振腔的结构设计阐述了DFB光纤激光器的工作原理,并且介绍了相移位置型非对称DFB光纤激光器以及折射率调制深度型非对称DFB光纤激光器的结构设计,以及可以获得稳定单向激光输出的工作原理。2.介绍了课题组所搭建的基于氩离子紫外激光器和抖动掩模板技术的光纤光栅和光纤激光器的制作系统,该系统能够制作任意复杂的折射率结构,可以精确的控制相移量和相移位置,并定制光栅特性从而结合不同的有源掺杂光纤制作各种光纤激光器。最后还简要介绍了课题组所制作的DFB光纤激光器,以及进行不同封装设计后的DFB光纤激光器。3.利用传输矩阵理论,对DFB光纤激光器的光谱特性,即相移光栅的无源透射谱进行了仿真模拟,从理论上分析了相移光栅的各个参数,包括相移量的大小、相移位置、光纤光栅长度、折射率调制深度等参数对透射谱中间狭缝的半高宽度的影响。实验中提出了新的测试光谱的方法,即DFB-LD电流扫描法,此方法基本实现了连续扫描,具有更高的分辨率和信噪比,能够精确的测试得到相移光栅中间狭缝的半高宽度,分辨率可以达到23.5fm。4.结合理论模拟和具体实验对DFB光纤激光器输出激光的阈值和斜率效率展开了研究。将两种不同类型的DFB光纤激光器,即对称DFB光纤激光器和非对称DFB光纤激光器输出激光的阈值和斜率效率进行了对比。实验得出普通对称DFB光纤激光器两端输出激光功率基本相等,而非对称DFB光纤激光器可以获得稳定的单向输出。经过理论和实验验证得出,这种非对称结构的DFB光纤激光器两端输出激光功率比最大可达到100：1。5.对DFB光纤激光器输出激光的相对强度噪声(RIN)特性进行了理论和实验研究。利用速率方程理论为基础,建立了理论模型,从理论上分析了DFB光纤激光器的结构参数,包括铒离子掺杂浓度,泵浦功率以及耦合系数等参数对RIN特性的影响。在实验中对环境噪声的影响进行了测试,实验发现当引入的外界环境噪声幅度为7dB时,DFB光纤激光器输出激光的噪声水平增大3.6dB／(Hz)1/2。实验中对泵浦功率损耗的影响也进行了测试和分析,并且选取了几个具有不同折射率调制深度的DFB光纤激光器进行了测试研究,分析了耦合系数对RIN特性的影响。6.对DFB光纤激光器的强度响应特性进行了理论和实验研究。以速率方程理论为基础,建立了DFB光纤激光器对外界声压激励强度响应的理论模型,推导得出了外界声压激励扰动的调制函数,并对DFB光纤激光器的强度响应特性进行了仿真和分析。实验中,详细研究了外界自然环境以及泵浦功率对DFB光纤激光器强度响应的影响,并且加入声压信号对DFB光纤激光器输出激光的强度进行调制,在DFB光纤激光器的频率谱中可以明显得出所加入的频率为16.5kHz的声压信号,并将实验结果与理论仿真结果进行了比较,得出结论：DFB光纤激光器具有强度响应特性并且具有应用为调制型传感器的潜力。给出了该类型传感器的声压灵敏度的计算方法,首次通过实验测试和数值计算得出了基于DFB光纤激光器的强度调制型传感器的声压灵敏度,测试频率范围为800Hz到9kHz,声压灵敏度在-180dBreμW/μPa至-165dBreβW/gPa范围内。7.分析了DFB光纤激光器在传感组阵中最常遇到的问题,即阵列中泵浦功率预算,以及阵列中所引入的几种外部光反馈,如熔接点、端面反射和瑞利散射等对阵列输出光特性的影响。首次提出将非对称DFB光纤激光器应用在传感组阵中。实验中选取了四支非对称DFB光纤激光器,并且详细给出了四支DFB光纤激光器输出激光的特性,包括输出功率,相对强度噪声以及驰豫振荡频率对阵列输出激光器的特性进行了测试,实验发现应用非对称DFB光纤激光器组阵可以有效的改善阵列输出激光的平坦性,尤其是阵列中后三元阵元输出激光功率波动在0.5dB以内。8.对四元阵列中的相对强度噪声(RIN)特性进行了测试,分析了各阵元在组阵后,RIN特性受相邻阵元影响后的变化。DFB光纤激光器输出激光的驰豫振荡频率只受泵浦功率影响,而与其他外部因素无关,所以我们利用了这一特点,用驰豫振荡频率对阵列中各阵元的泵浦功率进行校准,由实际的泵浦功率可知DFB的实际RIN,最后将DFB光纤激光器的实际RIN和在阵列中受相邻阵元影响后的RIN进行了对比和分析。实验发现应用非对称DFB光纤激光器进行组阵可以有效的改善DFB光纤激光器后向输出对相邻阵元的影响。
【作者】王朋朋；
【导师】常军；
【作者基本信息】山东大学，光电工程，2014，博士
【关键词】分布反馈(DFB)；光纤激光器；结构设计；非对称DFB；相对强度噪声；强度响应；传感组阵；速率方程；传输矩阵；
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