多波长窄线宽光纤激光器的研究与设计

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伴随着激光技术的不断发展与成熟,激光器的应用范围不断拓宽,由最初仅作为光源在波分复用(WDM)光纤通信系统使用,逐渐向工业、医学、雷达、传感、航天等领域发展。光纤激光器除了继承了半导体激光器的优点,更具有其独特的优点,如:线宽窄、可输出波长数量多、结构简单、室温工作、成本低等。本文以多波长窄线宽掺铒光纤激光器为研究对象,通过一系列相关的理论分析和计算,设计合理的多波长掺铒光纤激光器结构,针对其输出特性分别设计合理的光学滤波器,并进行了实验研究和分析。本文的主要内容包括:1.阐述了多波长窄线宽掺铒光纤激光器的研究背景及现状,并介绍了多波长掺铒光纤激光器的基本原理。2.介绍了多波长窄线宽掺铒光纤激光器的滤波技术,研究了应用于光纤激光器的几种经典光学滤波器,分析了其原理,并对其传输特性进行了分析。3.提出了一种基于高精细度光纤环滤波器的多波长窄线宽掺铒光纤激光器。设计了基于光纤环结构的高精细光滤波器,并分别对其进行了仿真和实验研究;将所设计的滤波器分别应用于双波长掺铒光纤激光器与多波长掺铒光纤激光器,当泵浦功率达到80mW时,最大激光功率7.224dBm和4.496dBm的激光输出。4.提出了一种基于光纤法布里-珀罗结构的光纤滤波器的双波长窄线宽掺铒光纤激光器。该激光器的谐振腔采用线型腔结构,在传统的单波长光纤激光器的基础上,增加保偏光纤光栅和高精细度的光纤法布里-珀罗滤波器。光纤法布里-珀罗滤波器由两个完全对称的10:90光耦合器和一段起饱和吸收作用的掺铒光纤构成,掺铒光纤产生的损耗和光纤产生的时延共同作用使滤波器具有梳状谱响应和高精细度,从而抑制激光器产生的不需要的模式,保证输出激光具有窄线宽特性。以980nm的激光二极管作为泵源,得到了室温下单峰最大输出功率分别为-2.259dBm和0.568dBm双波长窄线宽连续激光输出。5.提出了基于并行非线性偏振旋转结构的多波长窄线宽掺铒光纤激光器。利用3dB耦合器将PDI出来的线偏振光分为上下两路,分别由偏振控制器调制,改变偏振态。光在激光腔中每循环一次,光路中就会发生两次非线性偏振旋转,提高了系统的运行效率。实验分别实现了单波长可调谐、双波长的波长间隔可调谐、及多波长可调谐激光输出,调谐范围为4nm,最大输出功率为8.5dBm。波长间隔为0.364nm,经过4个小时观测,功率浮动小于0.5dB。
摘要第5-6页
Abstract第6-7页
第一章 绪论第10-18页
    1.1 引言第10-11页
    1.2 多波长窄线宽掺铒光纤激光器的研究背景及现状第11-13页
        1.2.1 多波长窄线宽激光器的发展第11页
        1.2.2 多波长窄线宽光纤激光器的应用领域第11-13页
    1.3 多波长掺铒光纤激光器的基本原理第13-16页
        1.3.1 掺铒光纤放大技术第13-14页
        1.3.2 多波长掺铒光纤激光器的理论基础第14-15页
        1.3.3 光纤激光器谐振腔的分类第15-16页
    1.4 本文的主要研究内容和工作安排第16-17页
    1.5 本论文的主要创新点第17-18页
第二章 多波长窄线宽掺铒光纤激光器中的滤波技术第18-31页
    2.1 引言第18页
    2.2 基于 Sagnac 光纤环结构的光梳状滤波器第18-23页
        2.2.1 Sagnac 光纤环结构光梳状滤波器的理论基础第18-20页
        2.2.2 偏振控制器的角度θ对 Sagnac 梳状滤波器的影响第20-21页
        2.2.3 耦合器的耦合比对 Sagnac 梳状滤波器的影响第21-22页
        2.2.4 保偏光纤长度对 Sagnac 梳状滤波器的影响第22-23页
    2.3 基于法布里-珀罗结构的光滤波器第23-26页
        2.3.1 法布里-珀罗光滤波器的理论分析第23-24页
        2.3.2 入射角θ 调制第24-25页
        2.3.3 腔长 L 调制第25-26页
        2.3.4 折射率调制第26页
    2.4 基于马赫-曾德干涉仪结构的光滤波器第26-29页
        2.4.1 马赫-曾德干涉仪滤波器的结构和原理第26-27页
        2.4.2 马赫-曾德干涉仪滤波器输出谱线数值模拟第27-29页
    2.5 光滤波器的性能指标第29-30页
    2.6 本章小结第30-31页
第三章 基于高精细度光纤环滤波器的多波长窄线宽掺铒光纤激光器第31-43页
    3.1 引言第31页
    3.2 基于光滤波器的多波长窄线宽掺铒光纤激光器理论基础第31-32页
    3.3 基于光纤环结构的高精细度光滤波器的结构和理论分析第32-35页
    3.4 多波长窄线宽掺铒光纤激光器中的选频元件第35-37页
        3.4.1 保偏光纤光栅作为选频器件第35-37页
        3.4.2 多模光纤布拉格光栅作为选频器件第37页
    3.5 基于保偏光纤光栅和高精细度光滤波器的双波长窄线宽光纤激光器第37-40页
        3.5.1 实验装置及原理第37-38页
        3.5.2 双波长光纤激光器输出结果测量第38-40页
    3.6 基于多模光纤光栅和高精细度光滤波器的多波长窄线宽光纤激光器第40-41页
    3.7 本章小结第41-43页
第四章 基于法布里-珀罗滤波器的双波长窄线宽掺铒光纤激光器第43-50页
    4.1 引言第43-44页
    4.2 基于 F-P 腔滤波器的多波长光滤波器的设计第44-47页
        4.2.1 基于光耦合器的 F-P 腔光滤波器的结构和理论分析第44-45页
        4.2.2 F-P 腔滤波器的数值模拟第45-47页
    4.3 基于光纤 F-P 环滤波器的双波长窄线宽掺铒光纤激光器第47-49页
        4.3.1 实验装置及原理第47页
        4.3.2 实验结果及分析第47-49页
        4.3.3 实验结论第49页
    4.4 本章小结第49-50页
第五章 基于并行非线性偏振旋转结构的多波长窄线宽掺铒光纤激光器第50-56页
    5.1 引言第50页
    5.2 可调谐单波长和双波长实现第50-53页
        5.2.1 实验结构及原理第50-51页
        5.2.2 实验结果及分析第51-53页
    5.3 多波长窄线宽激光输出第53-54页
        5.3.1 实验结构第53页
        5.3.2 实验结果及分析第53-54页
    5.4 实验结论第54页
    5.5 本章小结第54-56页
第六章 总结与展望第56-57页
参考文献第57-62页
发表论文和科研情况说明第62-63页
致谢第63-64页
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