单频光纤激光器线宽控制机理及技术的研究

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单频光纤激光器具有激光线宽窄、强度噪声低、转换效率高、结构紧凑、易于集成以及热管理方便等优点,在科研、工业和国防等领域有着广阔的应用前景。窄线宽单频光纤激光器可以提高激光雷达的探测距离、水听器的声压分辨率以及减小相干光通信系统的误码率。而在高能激光方面,通过展宽激光线宽来抑制受激布里渊散射,可以实现更高功率的激光输出。因此,对激光线宽的进行控制以满足不同的应用需求具有重要的实际意义与应用价值。本文研究了单频光纤激光器的线宽控制机理,开展了激光线宽展宽实验,实现了激光线宽从200 Hz到131 kHz的控制,取得的主要研究成果如下:(1)基于二能级速率方程及光纤激光器的线宽公式,推导出了单频光纤激光器自注入锁定线宽公式,建立了单频光纤激光器自注入前后的线宽变化理论模型,提出了改变外腔长度、自注入锁定频率调制和注入噪声三种实现线宽控制的方法。(2)通过优化外腔长度研制了线宽小于200 Hz的单频光纤激光器。开展了保偏激光器的自注入锁定实验,在101 m的外腔长度下,将初始线宽为1.5 kHz的单频光纤激光器线宽压窄到200 Hz,实现8.7 dB的线宽压缩。在非保偏激光器的自注入实验中,再次通过优化外腔长度实现了激光线宽压缩。此外,自注入锁定的偏振牵引效应消除了非保偏激光器的偏振分裂,获得了单偏振单频激光输出。开展了基于光纤光栅滤波器慢光效应的单频光纤激光器线宽压缩实验,获得了线宽小于780 Hz的紧凑型单频光纤激光器。(3)开展了基于自注入锁定频率调制的单频光纤激光器线宽展宽实验,在2.1 k Hz的调制频率下,激光功率密度谱线展宽至5.43 MHz。同时,本文还基于噪声注入的线宽展宽机理,开展了单频光纤激光器的线宽展宽实验。研究了注入噪声频带宽度和噪声与激光线宽展宽的关系。实验中,通过注入强度为500 mVpp,频带宽度为20 kHz的噪声,激光器线宽展宽至131 kHz,实现了22.1 dB的线宽展宽。
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