分布反饋光纖激光器的特性研究與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、經(jīng)過幾十年的努力和發(fā)展，光纖激光器及光纖放大器已經(jīng)走出實驗室，被廣泛的應(yīng)用在了通信、傳感、醫(yī)療以及工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。近年來隨著摻雜光纖制作技術(shù)及光纖光柵刻寫技術(shù)的發(fā)展，在光纖上直接寫入光柵而構(gòu)成線型腔光纖激光器的技術(shù)也越來越成熟。而線型腔光纖激光器具有體積小、重量輕、噪聲低、線寬窄以及易于大規(guī)模組陣復(fù)用等優(yōu)點，而被廣泛的應(yīng)用在光纖激光傳感領(lǐng)域。分布反饋光纖激光器(DFB)是在一段摻雜光纖上直接寫入一個π相移光柵而構(gòu)成的線型腔光纖激光器，這類

2、激光器的諧振腔長度都在厘米量級，且輸出激光都是窄線寬低噪聲的高相干光。
　　DFB光纖激光器由于具有靈敏度高、抗電磁干擾、動態(tài)監(jiān)測范圍大、易于大規(guī)模組陣復(fù)用等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在光纖傳感領(lǐng)域。由于DFB光纖激光器是國內(nèi)研究起步較晚的一種新型結(jié)構(gòu)激光器，對其特性進行詳細的分析和研究，對它的實際應(yīng)用推廣是十分重要的。在本論文中，我們就對DFB光纖激光器的特性進行了詳細的理論及實驗研究。本文的主要研究成果如下:
　　1.圍繞著諧振腔的

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計闡述了DFB光纖激光器的工作原理，并且介紹了相移位置型非對稱DFB光纖激光器以及折射率調(diào)制深度型非對稱DFB光纖激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及可以獲得穩(wěn)定單向激光輸出的工作原理。
　　2.介紹了課題組所搭建的基于氬離子紫外激光器和抖動掩模板技術(shù)的光纖光柵和光纖激光器的制作系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠制作任意復(fù)雜的折射率結(jié)構(gòu)，可以精確的控制相移量和相移位置，并定制光柵特性從而結(jié)合不同的有源摻雜光纖制作各種光纖激光器。最后還簡要介紹了課題組所制作

4、的DFB光纖激光器，以及進行不同封裝設(shè)計后的DFB光纖激光器。
　　3.利用傳輸矩陣理論，對DFB光纖激光器的光譜特性，即相移光柵的無源透射譜進行了仿真模擬，從理論上分析了相移光柵的各個參數(shù)，包括相移量的大小、相移位置、光纖光柵長度、折射率調(diào)制深度等參數(shù)對透射譜中間狹縫的半高寬度的影響。實驗中提出了新的測試光譜的方法，即DFB-LD電流掃描法，此方法基本實現(xiàn)了連續(xù)掃描，具有更高的分辨率和信噪比，能夠精確的測試得到相移光柵中間狹縫的

5、半高寬度，分辨率可以達到23.5fm。
　　4.結(jié)合理論模擬和具體實驗對DFB光纖激光器輸出激光的閾值和斜率效率展開了研究。將兩種不同類型的DFB光纖激光器，即對稱DFB光纖激光器和非對稱DFB光纖激光器輸出激光的閾值和斜率效率進行了對比。實驗得出普通對稱DFB光纖激光器兩端輸出激光功率基本相等，而非對稱DFB光纖激光器可以獲得穩(wěn)定的單向輸出。經(jīng)過理論和實驗驗證得出，這種非對稱結(jié)構(gòu)的DFB光纖激光器兩端輸出激光功率比最大可達到10

6、0∶1。
　　5.對DFB光纖激光器輸出激光的相對強度噪聲(RIN)特性進行了理論和實驗研究。利用速率方程理論為基礎(chǔ)，建立了理論模型，從理論上分析了DFB光纖激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括鉺離子摻雜濃度，泵浦功率以及耦合系數(shù)等參數(shù)對RIN特性的影響。在實驗中對環(huán)境噪聲的影響進行了測試，實驗發(fā)現(xiàn)當引入的外界環(huán)境噪聲幅度為7dB時，DFB光纖激光器輸出激光的噪聲水平增大3.6dB/(Hz)1/2。實驗中對泵浦功率損耗的影響也進行了測試和分析，

7、并且選取了幾個具有不同折射率調(diào)制深度的DFB光纖激光器進行了測試研究，分析了耦合系數(shù)對RIN特性的影響。
　　6.對DFB光纖激光器的強度響應(yīng)特性進行了理論和實驗研究。以速率方程理論為基礎(chǔ)，建立了DFB光纖激光器對外界聲壓激勵強度響應(yīng)的理論模型，推導(dǎo)得出了外界聲壓激勵擾動的調(diào)制函數(shù)，并對DFB光纖激光器的強度響應(yīng)特性進行了仿真和分析。實驗中，詳細研究了外界自然環(huán)境以及泵浦功率對DFB光纖激光器強度響應(yīng)的影響，并且加入聲壓信號對DF

8、B光纖激光器輸出激光的強度進行調(diào)制，在DFB光纖激光器的頻率譜中可以明顯得出所加入的頻率為16.5kHz的聲壓信號，并將實驗結(jié)果與理論仿真結(jié)果進行了比較，得出結(jié)論:DFB光纖激光器具有強度響應(yīng)特性并且具有應(yīng)用為調(diào)制型傳感器的潛力。給出了該類型傳感器的聲壓靈敏度的計算方法，首次通過實驗測試和數(shù)值計算得出了基于DFB光纖激光器的強度調(diào)制型傳感器的聲壓靈敏度，測試頻率范圍為800Hz到9kHz，聲壓靈敏度在-180dBreμW/μPa至-16

9、5dBreμW/μPa范圍內(nèi)。
　　7.分析了DFB光纖激光器在傳感組陣中最常遇到的問題，即陣列中泵浦功率預(yù)算，以及陣列中所引入的幾種外部光反饋，如熔接點、端面反射和瑞利散射等對陣列輸出光特性的影響。首次提出將非對稱DFB光纖激光器應(yīng)用在傳感組陣中。實驗中選取了四支非對稱DFB光纖激光器，并且詳細給出了四支DFB光纖激光器輸出激光的特性，包括輸出功率，相對強度噪聲以及馳豫振蕩頻率。對陣列輸出激光器的特性進行了測試，實驗發(fā)現(xiàn)應(yīng)用非對

10、稱DFB光纖激光器組陣可以有效的改善陣列輸出激光的平坦性，尤其是陣列中后三元陣元輸出激光功率波動在0.5dB以內(nèi)。
　　8.對四元陣列中的相對強度噪聲(RIN)特性進行了測試，分析了各陣元在組陣后，RIN特性受相鄰陣元影響后的變化。DFB光纖激光器輸出激光的馳豫振蕩頻率只受泵浦功率影響，而與其他外部因素無關(guān)，所以我們利用了這一特點，用馳豫振蕩頻率對陣列中各陣元的泵浦功率進行校準，由實際的泵浦功率可知DFB的實際RIN，最后將DFB