新型光纤滤波器及在可调谐光纤激光器中的应用研究

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可调谐激光器因其具备中心波长调谐,输出波长可切换及输出波长间隔可变等功能,在光通信和光传感等领域中极具应用价值。与可调谐半导体激光器相比,可调谐光纤激光器具有可用带宽宽、功率高、调谐简单、与光纤系统连接方便以及易实现kHz量级的窄线宽激光输出等特点,多年来一直是该领域的研究热点之一。在这些激光器中常采用法布里-珀罗、介质膜干涉、声光可调谐、光纤光栅等滤波器作为波长选择器件,以实现激光输出波长的可调谐。为满足可调谐激光器输出波长的可切换及多波长间隔可变等需求,还需要一些新型的滤波器。本论文将研究基于光纤中偏振模、芯模和包层模间干涉原理的全光纤滤波器,提出了该类光纤滤波器在环形腔光纤激光器中的应用方案,实现了三种调谐功能的光纤激光器。论文的主要内容如下:(1)研究了两种基于高双折射保偏光纤的萨格纳克(Sagnac)全光纤滤波器,并将其应用于环形腔光纤激光器中实现了不同功能的调谐。利用琼斯矩阵计算出了两种基于高双折射保偏光纤的萨格纳克光纤滤波器中的反射和透射函数,并通过理论模拟得到了传输光的偏振状态对反射和透射函数的影响;根据理论分析结果,发现了基于两段高双折射保偏光纤的单级Sagnac全光纤滤波器的一种新型滤波功能,提出了基于单段高双折射保偏光纤的双级Sagnac全光纤滤波器,实验验证了偏振态对滤波谱的调谐功能;将上述滤波器应用环形腔光纤激光器中,通过对振荡激光偏振状态的控制,可以实现最多5个波长的同时输出。激光器不仅能够实现多波长间的切换,还可以实现不同波长间隔的调谐功能。由于光纤深度饱和增强的光谱烧孔效应,在该激光器中实现了室温下的多波长稳定激光振荡,输出的激光功率抖动小于0.5dB。该类激光器在光通信和光传感等领域中具有良好的应用前景。(2)将基于光纤模间干涉原理的双锥形全光纤滤波器应用于环形腔光纤激光器中,提出了利用曲率调谐方式实现大范围可调谐窄线宽激光输出和单、双波长切换激光输出。利用光束传播法,分析出采用曲率调谐方式较应变调谐方式能够激发出更高阶包层模,为双锥形全光纤滤波器大范围调谐提供了理论依据;在实验中,利用光纤熔接机制作出了双锥形全光纤滤波器,并验证了采用曲率调谐方法的优势。将该滤波器应用于环形腔掺铒光纤激光器,并在腔内引入一段未泵浦有源光纤,利用该段光纤中形成的饱和吸收体,实现了中心波长可调的窄线宽激光输出,输出线宽小于2kHz,波长调谐范围大于17nm。在该激光器中不置入饱和吸收光纤,就可以实现稳定的单、双波长激光输出。(3)基于错位型光纤滤波器,提出一种内置光纤光栅的全光纤复合滤波器,并将该种光纤滤波器应用于环形腔光纤激光器中,实现了单、双波长激光输出。在双波长同时振荡的情况下,还能够实现波长间隔的连续调谐。利用光束传播法,分析了错位量及纤芯失配条件对激发模式的影响,同时利用模式展开法分析了错位量对滤波谱消光比的影响;在实验中,采用细芯光敏光纤利用错位熔接法制作出了该种滤波器,研究了应变和温度的调谐特性。在此基础之上,采用相位掩膜法在光敏光纤中写入光纤光栅构成了复合滤波器。由于该复合滤波器中的两个滤波器对应变具有不同的响应,将该种复合滤波器置于光纤环形腔中形成双腔结构,控制腔损就可以实现了单、双波长切换。同时,通过应变调谐就可以实现该激光器的波长间隔调谐,调谐范围接近2nm。该种光源不仅可以应用于光通信和光传感中,还有望成为可调谐太赫兹的激发光源。
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