非线性偏振旋转在光纤激光器中的应用研究

光纤激光器的偏振态变化光纤激光器是一种利用光纤作为放大介质的激光器，其波长范围广、功率大、激光质量好、激光器表现优良等特点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。

而光纤激光器的偏振态变化是光纤激光器中一个重要的研究课题。

偏振态对于光纤激光器的性能和应用有着重要的影响，因此对光纤激光器的偏振态变化进行深入的研究具有重要的意义。

一、光纤激光器的偏振态光纤激光器是一种将光纤作为激光放大介质的激光器，一般来说，光纤激光器的输出光可以是不同偏振态的。

简单来说，光的偏振是指光在空间中传播时电磁场向某一特定方向振动的性质。

偏振态是描述这个振动方向的物理量，用于描述光的偏振状态。

而光纤激光器的偏振态通常可以分为两种：线偏振和随机偏振。

其中，线偏振是指光的振动方向固定，随机偏振是指光的振动方向不固定。

在光纤激光器中，产生线偏振的原因主要是光纤的几何形状和材料的各向异性。

在光纤激光器中，如果光线偏振方向沿着长轴方向，则称为光的快轴方向；如果光的线偏振方向沿着慢轴方向，则称光的慢轴方向。

在光纤激光器中，快轴和慢轴对应的折射率一般是不同的，这样导致光的快轴和慢轴传播速度也不同。

二、光纤激光器偏振态变化的影响因素光纤激光器的偏振态受到许多因素的影响，主要包括光纤的几何形状和材料的各向异性，以及外界环境因素等。

光纤激光器的几何形状和材料的各向异性是最主要的影响因素。

在光纤激光器中，光线偏振方向沿着长轴方向的光纤称为快轴光纤，光线偏振方向沿着短轴方向的光纤称为慢轴光纤。

而快轴光纤和慢轴光纤的折射率一般是不同的，这样导致光的快轴和慢轴传播速度也不同。

因此，光纤激光器中的偏振态主要是由于光在光纤中的快轴和慢轴传播速度不同引起的。

此外，外界环境因素也会对光纤激光器的偏振态产生影响。

例如，光纤激光器的温度、压力、应力等因素都会对光纤的几何形状和材料的各向异性产生影响，从而影响光的偏振态。

三、光纤激光器偏振态变化的研究方法目前，研究光纤激光器偏振态变化的方法主要包括理论模拟和实验验证两种。

npr光纤锁模波长NPR光纤锁模波长光纤锁模激光器是一种基于光纤技术的激光器，它具有高功率、窄线宽和稳定输出等优点，被广泛应用于光通信、激光雷达和光学测量等领域。

而NPR（Nonlinear Polarization Rotation）光纤锁模波长则是指在光纤锁模激光器中，通过非线性极化旋转技术实现的波长选择。

在传统的光纤锁模激光器中，常使用光纤光栅或其他光谱滤波器来实现波长选择。

然而，这种方式存在着一些限制，比如调谐范围狭窄、调谐精度有限等问题。

而NPR光纤锁模波长则通过利用非线性极化旋转效应，可以实现更宽广的波长选择范围和更高的调谐精度。

NPR光纤锁模波长的实现原理是利用光纤中的非线性极化旋转效应。

当一束光经过一段光纤时，由于光纤的非线性特性，光的偏振状态会发生旋转。

而当光脉冲的功率足够大时，非线性极化旋转效应会引起频率差异，从而实现波长的选择。

具体来说，NPR光纤锁模激光器中通常包含了一个非线性光纤和一个偏振控制器。

非线性光纤用于产生非线性极化旋转效应，而偏振控制器则用于调节光的偏振状态。

通过调节偏振控制器的参数，可以实现对光的偏振状态和频率的调谐，从而选择特定的波长。

NPR光纤锁模激光器在波长选择上具有很大的灵活性和精确性。

它可以实现连续的波长调谐，并且可以选择窄线宽的激光输出。

此外，由于NPR光纤锁模波长的实现是基于非线性效应，因此它对光纤的色散特性不敏感，可以避免由色散引起的波长漂移问题。

NPR光纤锁模波长在光通信领域有着广泛的应用。

它可以用于光纤传输系统中的波长选择和光谱整形，实现高速、高容量的光通信。

同时，NPR光纤锁模波长还可以用于光纤传感器中，实现对光纤中的温度、应力、压力等物理参数的测量。

NPR光纤锁模波长是一种基于非线性极化旋转效应的波长选择技术。

它具有广泛的应用前景，在光通信、光学测量和光学传感等领域都有着重要的作用。

随着光纤技术的不断发展，相信NPR光纤锁模波长会在未来发挥更大的作用，推动光纤激光器的性能和应用的进一步提升。

光纤激光器的偏振态变化
光纤激光器的偏振态可以随着外界环境和工作条件的变化而发生改变。

以下是一些可能导致光纤激光器偏振态变化的情况：
1. 温度变化：光纤激光器的工作温度对其偏振态有重要影响。

温度变化会使光纤中的材料产生热应力，进而影响光的传播路径，导致偏振态变化。

2. 机械应力：光纤激光器经过长时间使用或受到外界机械应力作用时，光纤中的应力也会发生变化，进而影响光的传播方向和偏振态。

3. 激光器组件磨损：光纤激光器的组件如输出端窗口、光纤连接件等可能会因磨损而导致光的偏振态变化。

4. 外界固有偏振：当外部光传入光纤激光器时，如果其偏振与激光器原有偏振不同，可能会导致光纤激光器的偏振态发生变化。

5. 光纤激光器内部非线性效应：一些非线性光学效应如自由载波混频和拉曼散射等可能会导致光纤激光器的偏振态变化。

为了稳定光纤激光器的偏振态，可以采取一些措施，如控制工作温度，减小机械应力，定期检查和更换组件，以及使用必要的偏振控制器等。

摘要近些年，光纤激光器的研究逐渐往长波长方向发展，其中掺铥光纤激光器能够输出波长在2 μm附近的激光，受到了广泛的关注。

掺铥光纤激光器中锁模技术是产生超短脉冲的重要条件，尽管被动锁模光纤激光器可以实现不同的锁模脉冲，但在丰富而复杂的非线性动力学驱动下，可以通过控制光纤谐振腔中的色散、非线性、光纤增益和元件损耗等参数来发掘一些特殊形状的脉冲或脉冲的其他特征。

本文以非线性偏振旋转(Nonlinear Polarization Rotation, NPR)锁模掺铥光纤激光器为实验平台，色散管理为基础，系统研究了不同色散被动锁模光纤激光器脉冲的动力学特性，主要的工作内容如下：1. 首先，搭建了负色散NPR锁模掺铥光纤激光器，获得一种重复频率为19.8 MHz，信噪比为56 dB，中心波长在1984.74 nm附近的特殊形状的类h型脉冲。

不同于传统孤子，该脉冲鲜有报道，单脉冲能量为6.7 nJ，打破了传统孤子面积理论的限制。

脉冲在形状上类似字母“h”，称为类h型脉冲。

进一步演化分析发现，类h型脉冲特征上与耗散孤子共振脉冲相似，随着泵浦功率的增加，脉冲会展宽，脉冲持续时间长、无波裂、能量高。

2. 然后，基于高数值孔径(Ultra-High Numerical Aperture, UHNA7)光纤为色散补偿光纤，搭建了在零色散和正色散NPR锁模掺铥光纤激光器。

当激光器工作在零色散附近的反常区域，实验获得了光谱宽度为24.3 nm，信噪比为43 dB，重复频率为6.88 MHz的类噪声锁模脉冲。

通过脉冲的演化分析，发现类噪声锁模脉冲可以发生分裂产生谐波锁模脉冲，说明类噪声脉冲并非可以无限增加能量，在一定条件下脉冲也会分裂。

当激光器工作在正色散区域，实验获得了耗散孤子共振脉冲的输出。

该脉冲是由高斯型演化成平顶的矩形脉冲，脉冲的重复频率为 5.16 MHz，信噪比为51 dB。

实验验证了脉冲会随着泵浦功率的增加发生展宽，并未出现脉冲分裂，表明在正色散下，该脉冲能够容忍更高的非线性效应，可以实现更高能量的脉冲输出。

光隔离器在光纤激光器中的应用优化随着科技的发展，光纤激光器在日常生活和工业生产中的应用越来越广泛。

作为光纤激光器中的重要组件之一，光隔离器在光纤激光器的性能优化中起着关键作用。

本文将重点讨论光隔离器的原理和在光纤激光器中的应用优化。

一、光隔离器的原理介绍光隔离器是一种利用非线性材料和磁光或电光作用实现单向传输的器件。

其主要原理是基于光的自旋和偏振方向不可逆转的特性。

通过光的偏振旋转和非线性材料的吸收特性，光隔离器能够将反射光的能量消耗掉，从而实现光的单向传输，起到隔离和保护光源的作用。

二、光隔离器在光纤激光器中的应用1.降低光纤激光器的噪声光隔离器在光纤激光器中的主要应用之一是降低激光器的噪声。

光隔离器能够有效地抑制光信号的回传和反射，减少因光路反射引起的光线干涉和噪声扩散。

这对于要求高精度和稳定的光纤激光器非常重要，可以提高激光器的输出质量和稳定性。

2.提高光纤激光器的效率光隔离器还可以提高光纤激光器的效率。

在激光器的输出过程中，一部分能量会被光路反射和回传消耗掉，从而降低激光器的效率。

通过使用光隔离器，可以避免反射光的反馈影响，保证光信号的单向传输，减少能量损失，提高光纤激光器的效率。

3.保护光纤激光器光隔离器还可以起到保护光纤激光器的作用。

光纤激光器中的激光发射器和激光放大器等关键部件对光信号反射和回传非常敏感，如果没有光隔离器进行保护，反射光会造成光源的退化和损坏，甚至会引发光学器件的损坏。

通过使用光隔离器，可以有效地隔离和消除反射光，保护光纤激光器的稳定性和寿命。

三、1.选择合适的光隔离器类型根据光纤激光器的具体需求和应用场景，选择合适的光隔离器类型是优化光纤激光器性能的重要步骤。

在市场上，存在着各种类型的光隔离器，如磁光光隔离器和电光光隔离器等。

根据不同的光纤激光器工作波长、功率以及信号特性等因素，选择适配的光隔离器，能够更好地发挥光纤激光器的性能。

2.优化光隔离器的安装位置在光纤激光器的光路设计中，合理安排光隔离器的安装位置也是提高性能的重要因素。

?激光器件?作业〔1〕1.说明激光产生的必要和充分条件.简述激光器的根本组成局部及其功能.2.判断谐振腔的稳定性〔单位:mm〕⑴R1=90, R2=40, L=100⑵R1=20, R2=10, L=4533〕 R1=-40, R2=75, L=6044〕 R1=8, R2=-10, L=503.某稳定腔两面反射镜的曲率半径分别R1=-1.25m及R2=1.6m〔1〕这是哪一类型谐振腔⑵试确定腔长L的可能取值范围,并作出谐振腔的简单示意图.4、画出下列图所示谐振腔的等效透镜光路,并写出往返矩阵.5.某CO2激光器采用平凹腔,L=50cm, R=2m , 2a=1cm, =10.6 m.试计算镜面上的光斑半径W s1和W s2,光腰W0,远场发散角0,以及基横模损耗00各为多少6.半导体激光器输出1.55 m的光腰w0=0.6mm的高斯光束,为将它耦合到芯直径=10 m的石英光纤〔N.A.=0.2〕中,应如何建立耦合光路要求给出聚焦透镜的焦距和各部件的位置.?激光器件?作业〔2〕1.试说明气体放电伏安特性中击穿电压和放电维持电压的概念.2.提升He-Ne激光器632.8nm输出功率的方法有哪些3.实验测得He-Ne激光器以波长=632.8nm工作时的小信号增益系数为G0=3 10-3cm-1.①设饱和光强Is=30W/cm2时,以非均匀增宽计算腔内光强I =50W/cm2时的增益系数G;②为保持振荡稳定,设反射镜R2的反射率为100%,腔长l =10cm,问R1的反射率最小为多少〔除透射损耗外,腔内其它损耗的损耗率a =9 10-4cm-1〕?③又设光斑面积A = 1.1 x 10-2cm2,反射镜反射系数R1=99.2%,问R1端输出光功率为多少毫瓦.4.设计一款输出TEM00模、功率12mw的He-Ne激光器.5.为什么Ar+激光器要用弧光放电进行泵浦为此它的等离子管要采取哪些措施6.什么叫瓶颈效应对于He-Ne激光器和CO2激光器,分别可采用什么方法减小瓶颈效应?激光器件?作业〔3〕1.下列图是输出功率为1kW的闪光灯泵浦Nd:YAG激光器中的能量转换环节.请计算该激光器各个环节的效率〔包括泵浦灯的电光转换效率L,聚光腔的聚光效率c,激活离子的吸收效率ab和荧光量子效率0〕以及总的光电转换效率.2.与卤素灯相比,采用半导体激光器作为固体激光器的泵浦源有何优势3.简述激光棒热效应对固体激光器工作特性的影响及其消除或补偿的方法.4. 一个YAG激光器的棒直径为6mm,长度75mm；而泵浦灯的直径为5mm, 长度75mm.请为它设计一个单椭圆的聚光腔.5. 一台YAG激光器谐振腔的腔长为160mm,两个球面镜的曲率半径分别为100mm和250mm, YAG棒长80mm,折射率1.82,位于谐振腔的中央.假设考虑热透镜效应,求该激光器稳定运转时对应的激光棒屈光度的范围.?激光器件?作业〔4〕1.半导体激光器的光束质量较差是什么原因引起的2.简述半导体激光器系统与普通二能级系统的区别.3.为什么双异质结可以降低半导体激光器件的阈值功率密度4.如何实现半导体激光器的单纵模和单横模振荡?激光器件?作业〔5〕1.相对于半导体激光器,光纤激光器有何突出的优点2.基于光纤Fox-Smith谐振腔的光纤激光器,应如何设计谐振腔参数以便获得单纵模运转3.简述大功率双色层光纤激光器的结构和特点,为何其内包层光纤横断面要采用特殊的几何形状4.简述光纤激光器采用非线性偏振旋转〔NPR〕锁模的原理.〔蠹光器件?作业〔1〕1〕」.作物帧：激光舞的核心.谱线波段.增益,结构形态e2〕泵浦源,电、光、热、化学能、核能激团"激光电源,限制电路,能量转换效率,3〕光学谐振腔工为激光振荡建立提供正反应；其参数影响输出激光束：同量一稳定性,模式：镜片加工和镀膜工艺,调整精度4〕辅助设施।散热系统,滤光设施口置Q,缴模,稳频,选模.放大也产生激光的必要条件一粒子数反转；受激倔射耍得到放大.必须辐射作用大于吸收作用■要求上能级的粒子数大于下能级粒子数.理想能级结构工上能级：亚稔态〔长寿命〕,粒子数枳累.下能级；尽量清空U或目治<0即;(4+.)<-13.某稳定腔两面反射镜的曲率半径分别Rl=-L25m及R2=L6m.⑴这是哪一类型谐振腔(2)试确定腔长।的可能取值范围,并作出谐振腔的简单示意图.凹凸镜；|glg2|<l4、画出下列图所示谐振腔的等效透镜光路,并写出往返矩阵.产生激光的充分条件一一阈值条件：激活介顺的增益不小于损耗,才能产生激光振荡. G2R>\2.判断谐振腔的稳定性(单位：mm)(1)R1=9O, R2=40J=100(2)Rl=20, R2=10, L=4533) Rl=・40, R2=75, L=60(4)R1=CO/R2=-10/ L=501、稳定腔一一傍轴光线在腔内任意屡次往返不会横向逸士腔外-1 V：(.4 + 0)V1或0<弁限<1其中处=12、非稳脖一一傍轴光线在腔内有果次往返必然从侧面溢出腔外g思>1 即:(4 + 0)>1注意：相乘时要反序乘;5.某COz激光器采用平凹腔,L=50cm, R=2m , 2a=lcm> X=10.6pm>试计算镜面上的光斑半径w.和w〃,光腰w.,远场发放角00,以及基横横损耗6；u各为多少J',z〕■—> \c基模场振幅分布卬〔二〕〞<"=楞[吟〕吟卜6 基模光斑尺寸Y *1,〕72 * U1〕腰斑尺寸、/2 V2万V nMz〕=M±/〕=%〕&=2〕镜面上3〕远场发散角8= lim——0,2 — fi"1 -二-HO Z二—94〕基模衍射损耗va2 /N= [ 2=2阳：共焦腔TEMg近似公式:制’[LXV冗="小“乩+" 2尸Z y户由E0.9xl()3N6.半导体激光器输出L55Pm的光腰w o=O.6mm的高斯光束,为将它耦合到芯直径♦=10jun的石英光纤〔N.A.4,2〕中,应如何建立耦合光路要求给出聚焦透镜的焦矩和各部件的位置.?激光器件?作业〔2〕1.试说明气体放电伏安特性中击穿电压和放电维持电压的概念.使电介质击穿的电压,电介质在足筋强的电场作用下将失去算介电〞他成为导体,称为电介班击穿,所对应的电压称为击穿电压一当外加电压逐渐升高后,气体中的放电过程发生转变.此时假设去掉外界鼓励因素,放电仍继续开展,称为自持放电,通常所研究的各种气体放电形式如辉光放电、电晕放电、火花放电、电蚯放电等都届于自持放电当外加电压较低忖,只有由外界电离因素所造成的带电粒子在电场中运动而形成气体放电电流,一旦外界电离作用停止,气体放电现象即舶之中断,这种放电称为林自持放电,2.提升He-Ne激光器632.8nm输出功率的方法有哪些3.实验测得He-Ne激光器以波长X=632.8nm工作时的小信号增益系数为G产找1.・3cmz①设饱和光强/5=30W/cm2时,以非均匀增蜜计算腔内光强/=50W/cm2时的增益系ft G；②为保持振荡稳定,设反射镜R2的反射率为100%,腔长/=10cm,问R1的反射率最小为多少〔除透射损耗外,腔内其它损耗的损耗率a=9xl0< cm ］〕?③又设光斑面积A= LlXldcm〕反射镜反射系数81=99.2%,问R1端输出光功率为多少毫瓦.〔1〕增益：光在单位距离内光强增加的百分比..=上公Is〔2〕% = j2G/a-a；⑶R那么=1 -T那么；KI. = 3OW/cm2P^ATKIA^--1〕52a + T4.设计一款输出TEMoo模、功率12mw的He-Ne激光器.放电长度L =刍~ = — = 600m〃?/20L =600+60=660mm 0= 1 ：R=LP=660mm凹而反射镜上的光斑半径外鼻-r〔〕a R-L放电毛细管直径.= 3.3他D2萨涅尔数汽==-4AL基模衍射损耗40^0.3% 总的光学投失a =%十%,.〔图,包括全反射透过率.反射镜散射和吸收散射.可取0.6%〕最正确透过率7^=j2G/a-a, / ="笈〔,尸P ATK I S〔^--\〕a+T5.为什么Ar+激光器要用孤光放电进行泵浦为此它的等离子管要采取哪些举措?1）.笈离子激光器的工作能级是离子激发态.为了实现激发.要求管内电子仃很高的能量c根据正柱区的特性,气压越高,放电功率密度越大,热不稳定性增长所需要时间越短, 量离子激光器只能在较低气压〔低于1.06xl02Pa〕下工作.管内气压低,单位体积中Ar原子数日减少.为增加筲内电由和激发过程,以保证足够激光上能级粒子,需要提升管内的电子密度,Ar*激光器采用弧光放电鼓励,管内的电流密度可高达100—lOOOA/cn?,2）.因A「激光下能级的弛续依靠3P5〔离子基态〕粒子的首壁复合,所以它的放电管的管径一般较细,约2〜4mmeAr离子激光器工作时,放电管中通过的的工作电流约为几〜几I安培.其相应的电流密度可达数百安培/平方厘米,同时还要耗散120W/cm的热身,管壁温度往往在1000C以上.放电毛细管必须品用耐高温、导热性能好、气体消除速率低的材料划作.通常使用石英管、氧化被陶瓷菅、分段石屋管、铝放电管等.6.什么叫瓶颈效应对于He・Ne激光器和CO?激光器,分别可采用什么方法减小瓶颈效应1〕瓶颈效应,当CO2激光器中不加其他气体,只靠CO?分子之间的碰撞时,10..驰像到01^的速率比从01»0驰速到00°0的速率高得多,因此01%能级上的粒子将被堆枳起来. 而第一步过程是可逆的,这会使得10.0和02.0能级上的粒子数增加,造成反转粒子数卜.降, 2〕He-Ne：参加辅助气体He,更高质原子的泵浦效率,以及减小管的直径使管壁效应增大, 使Ne粒子主要通过与其他粒子的以及管壁的磁撞而回到基态.C02：参加辅助气体：N2：用大C02分子00.1能级的漱发速率,还能增加0M0能级的驰缘速率.co：增大CO2分子00°1能级的激发速率,还能增加0110能级的驱掾速率,但太高时会使00°1能级消激发.He： 1〕降低工作气体的温度,增加摘出功率.2） He 对激光下能级的地像作用比对激光能级的犯像作用影响大得多,这有利于粒 子数反转,叩有利于提升输出功率3〕缓冲CO2向管壁扩散.减少00.：!态CO?分子与管壁的碰撞消激发作用.Xe ：增加放电气件中的电器度,使得电子平均能量流低,从而提升激光器的效率H 2： H 2O:提升器件的输出功率,并且延长器件寿命Ar ：降低管内电了•温度,有利于上能级激发,但导热率不如He?激光器件?作业〔3〕1.下列图是输出功率为IkW 的闪光灯泵浦Nd:YAG 激光器中的能信转换环节.请计算该激光 密各个环节的效率〔包括泵浦灯的电光转换效率m,聚光腔的聚光效率中,激活离子的吸 收效率nab 和荧光量子效率n .〕以及总的光电转换效率.柬光,出J kW]3 k W 功率04kW光陵二聚光器光功率—光功率激光介质_激活粒子功率d一灯一电功率 /—一光功率聚光/一工作物质会聚光功率=_非辐射跃迁粒子数工E后发跃迁粒子束2—一辐射总粒子数X—E,总粒子数1〕光电转化效率高,节省能源半导体激光器是直接的电子一光子转换器,因而它的转换效率很高c目前最高光电蛙换效率接近70%；2〕半导体眼光曙所漫罡的波段范围最广一可以通过选用不同的半导体激光器书•源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分,而得到范闱很广的激射波长以满足不同的需要；3〕系统稳定性高,寿命长,维护便捷费用低；4〕波长较短,金属材料吸收效率高,加工质量好：5〕模块化设计,可以根据不同应用设计加工系统:6〕具有直接调制的水平；7〕体枳小巧,结构紧凑,质量轻.3.简述激光棒热效应对固体激光器工作特性的影响及其消除或补偿的方法.1.增强冷却降低棒的整体温度：2.光学补偿法：主要用于抵消热致双折射或热透境的影响.以改善光束质量；1〕棒端面修正法；曲率半径为R=2〔n〔rl〕fT,fT为热焦距e只磨一面,那么R=〔rb-l〕h2〕设计相应的谐振腔,以减小热透镜的影响：3〕在谐振腔内加一负透镜,透镜焦明与热焦距相同,由于热焦距为止透镜,那么可抵消其影响：4〕应力双折射的补偿方法是采用石英旋光片让.将两支热轨双折射效应相近的棒串接,中间置入石英旋光片.旋转角为90.,使第一热致双折射产生的径向与切向分量.恰好在第二支棒中互换,相互抵消,使光束的偏振方向保持不变.4. 一个YAG激光器的棒直径为6mm,长度75mmi而泵浦灯的直径为5mm,长度75mm. 请为它设计一个单椭圆的聚光腔.1〕确定灯棒尺寸「八r L£〕=5 +4 ~ 6nun2〕确定D R.D L//D R二心 + 4 〜6mm3〕确定椭圆腔焦点距围2c = &+〞出—4〕确定椭圆腔长轴2a = 3 + 25. + 0配+ 225〕确定椭圆腔短轴力=〔/一..5YAG激光转谐振腔的脱长为160mm,两个球面镜的曲率半径分别为,YAG棒长80m m,折射率L82,位于谐振腔的中央.假设考虑热透镜效应. 转时对应的激光■屈光度的范围.D = - = - P p =-- P p屈光度 / F ".:用传输矩阵去求h =——1找出主面位置2〃2底定各个量：0<@G、vl定出D的范惘?激光器件?作业(4)1.半导体激光器的光束质量较差是什么原因引起的1,由于激光器的工作电流较大,电阻功耗很大•所以在室温卜的功率效率只有百分之几.2.半导体激光器对温度十分敏感,其输出功率随温&会发生很大变化,其主要原由于：(1)激光器的阈值电流M随温度升高而增大(2)量子处率必随温度升高而减小c3.由丁半导体激光器的谐振腔短小.激光方向性较差.特别把在PN结的垂直平而内,发散隹很大,可达200-30.,在PN结的水平面内,发散角约为几度.4.激光丹的伏安籽性与一段二极管相同,也具有单向导电性,凡电阻主要取决于晶体电羽和接触电阻.蛆然阻值不大,但因工作电流大,不能无视它的影响,5.简述半导体激光器系统与普通二能级系统的区别.1).导带和价带内很高的电子和空穴态密度使得半导体能带中可以容纳很商浓度的电子和空穴,从而获得很大的自发辐射和受激辐射几率,并提供较强的光增益作用.2).处于同能带内不同能量状态上的载流了几乎可以随时维持其能带内的局部平衡状态.3).半导体内载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移.半导体材料为这种特性使得可以通过简单的直接电流注入对半导体激光器进行泵消,产生小平窗战流不,并使材料处于粒子数反转分布状态.4).半导体内原子之间以及注入蝮流了之间的相互作用放宽了电子发生带间辐射跃迁的选择定那么.使得辐射跃迁可以发生在导带内的大母电子和价带内的大量空穴之间.♦为什么双异质结可以降低半导体激光器件的阈值功率密度?1).中间的窄带隙层对载流子形成了很好的限制作用2).窄带隙层一般还具有比拟高的折射率,光波导效应明显4.如何实现半导体激光器的单纵模和单横模振荡单纵模：在直流驱动卜,发射光波长只有符合激光袋船的相位条件的波长存在.这些波长取决于激光器纵向长度L,并称为激光器的纵膜.驱动电流变大,纵模模数变小,谱线宽度变窄. 这种变化是由于谐振腔时光波顼率和方向的选择,使边模消失、主模增益增加而产生的°当驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模,这种激光器称为仔态单纵模激光器：单横噢：近场和远场是由谐振睦(有源区)的桢向尺寸,即平行于PN结平面的宽度w和垂直手绢平面的厚度,所决定.并称为激光器的横模.平行于结平面的谐振腔宽发w由宽变窄,场图呈现出由多横填变为单横模：垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄,这个方向的场图总是单横隰?激光器件?作业〔5〕1.相对于半导体激光器,光纤激光器有何突出的优点1）.〕匕纤激光器具有波导式结构,可以在光纤纤芯中产生较宸的功率密度,使得激光效率大幅度提升.由此构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点；2）.光纤激光器基质是SiO?.具有躁好的温度稳定性：而光纤结构具有较高的而积一体积比, 所以其散热效果很好.3）.光纤具有极好的柔绕性,激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、性能价珞比的e4）.龙纤檄光器与常规光纤具有自然的通的性和兼容性,因此易于进行光纤集成,与通信线路粮令损耗低,使用方便可翕.2.基于光纤Fox-Smith谐振腔的光纤激光器,应如何设计谐振脱参数以便获得单纵模运转2.基于光纤Fox-Smith谐振腔的光纤激光器,应如何设计谐振腔参数以便获得单纵模运转?送挣适当的M 以致于在整个荧光线宽内只有一个织膜在揉荡那么可以实现单纵模运转.3,述大功।双包■光।,光器的结构和为何其内■■光।■■「■।采用।■的几何形状1）.高功率光纤激光器的关罐技术：1.用于泵浦的宽而、多模大功率激光二极管;2.磁而为梅花密形的内包层或多孔的双包层光纤;3.单模排传纤芯;锥形捆扎,或树叉形双包层光纤泵涌光导入I I：4.特殊耦合技术;5.光纤光栅谐振腔. 2〕.特点：L转换效率高〔可高达20%〕： 2.寿命长〔平均无故障工作时间在10万小时以上〕：3.可在恶劣的环境下工作〔由于其共振控置于光纤内部,即使在高冲击,高震动,高湿度,白灰尘的条件下皆可正常运转.而环境潟度范国允许在-20 C至+70 C之问〕；4.无论是连续或脉冲的运话方式皆无需庞大的水冷或风冷系统.只需一般的散热体或筒便的风冷即可；5.其外型紧凑体枳小〔光纤激光器模块的体枳大约有一本字典的大小〕；6.方便光纤导出：7易于系统集成：8.没有体积庞大的电源系统：3〕几何形状有要求的原因：常见的集合形状设汁：偏心圆式的内包层,矩形的内包层,花野形的内包层. 光纤内包层横断面的几何形状是很直要的,如果设计成圆形,而纤芯又居其中央,这样大部分的泵浦光就不能横穿过纤芯.设计出丈它光纤内包层横断面的几何形状,以使更多的泵浦光横穿过纤芯.4.简述光纤激光卷采用非线性偏振旋转〔NPR〕锁模的原理.通过光纤里的非线性效应〔SPM、XPM〕对腔内光脉冲迸行周期性调制,使强度大的光屡次振荡时经过偏振相关隔离器〔ISO〕损耗小,从而实现锁模.泉浦光通过偏振相关光纤陇离器的纹侑振光在经过第一个光纤偏振限制器(PC)后变为畸回偏 振光,它是两个相互垂直的、具有不同强度的线偏抿光的合成e精网偏振光经过掺银光纤得到增益放大,由于Kerr 效应,两个相互垂直的偏振分量经过相 同长度光纤的非线性相移不同,椭间偏振光的偏振态发生改变.第二个光纤偏振限制器的作用把调整光咏冲的偏振方向与偏振相关光纤隔离器的偏振 方向一致,从而使得光咏冲的峰值经历最小的损耗而通过,而光脉冲的两宾经历了较大的投 耗而被削掉,导致光脉冲发生窄化.光脉冲在腔内往返屡次后变窄,其作用相当于可饱和吸收 体,最终实现锁模咏冲激光输出. 输出 ISO。

D O I :10.3969/j.i s s n .1001-5337.2024.1.083收稿日期:2022-07-21基金项目:安徽省自然科学基金(2008085M F 211);安徽省光通信技术基础教学示范课(2020S J J X S F K 2140);安徽省研究生联合培养示范基地(2022l h p y s f jd 046).第一作者:李凯芯,女,1997-,硕士研究生;研究方向:光纤激光器;E -m a i l :l i k a i x i n 197@163.c o m.通信作者:汪徐德,男,1980-,博士,副教授;研究方向:光纤激光器;E -m a i l :w a n gx u d e m a i l @126.c o m.光纤激光器中矩形类噪声多脉冲的行为研究李凯芯, 汪徐德, 陆梦想, 耿 旭(淮北师范大学物理与电子信息学院,235000,安徽省淮北市) 摘要:报道了基于非线性光纤环形镜(N O L M )锁模的掺铒光纤激光器中矩形类噪声多脉冲演化行为.在基频重复率为2.19MH z 下,可以获得稳定的矩形类噪声脉冲,脉冲宽度从1.25n s 到4.35n s 可调,单脉冲能量可达7.72n J .通过改变泵浦功率和偏振状态,矩形类噪声可分裂成多脉冲,并随着腔参数的不同演化成多种形态,如脉冲间距不等的矩形类噪声脉冲簇,脉冲间距相等的矩形类噪声脉冲簇以及各阶谐波类噪声脉冲.实验结果表明,类噪声脉冲具有与孤子脉冲类似的脉冲分裂特性,并随着腔内脉冲数的增加,单个矩形类噪声脉冲宽度逐渐减小.实验结果有助于进一步理解矩形类噪声脉冲的产生机理与多脉冲的动力学特性.关键词:光纤激光器;类噪声;矩形脉冲;多脉冲;非线性光纤环形镜中图分类号:T N 248 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2024)01-0083-060 引 言被动锁模光纤激光器由于具有结构紧凑㊁稳定性高㊁成本小㊁易产生超短脉冲等优势,在光通信㊁军事㊁医疗㊁精密加工等领域有着潜在的应用前景[1-3].到目前为止,人们利用各种锁模方式在光纤激光器中实现锁模脉冲输出,比如利用非线性偏振旋转技术㊁ 8 字腔㊁真实可饱和吸收体㊁M a m y s h e v 再生器㊁多模光纤混合结构等等.借助这些锁模技术,各种不同类型的锁模脉冲已被报道,比如孤子脉冲㊁耗散孤子㊁耗散孤子共振㊁自相似脉冲㊁类噪声脉冲等[4-6],因此,被动锁模光纤激光器为研究各种锁模脉冲的演化特性提供一个理想的平台.一般来说,在被动锁模光纤激光器中产生的脉冲具有高斯或双曲正割形状,但在特定的腔参数条件下,也会产生纳秒尺度的矩形脉冲.相对于传统的孤子脉冲来说,矩形脉冲可以随着泵浦功率的升高而增加其脉冲宽度,同时保持其振幅不变.因此矩形脉冲可以避免脉冲分裂并有效地提高脉冲能量.目前,在光纤激光器中形成矩形脉冲的主要机理有两种:一种是耗散孤子共振,其形成的矩形脉冲是一个单脉冲,脉冲内部没有精细结构,脉冲具有高度相干性;另一种是利用激光腔的峰值功率钳制效应获得方脉冲,典型的有矩形类噪声脉冲,其脉冲行为与耗散孤子共振脉冲具有相似性,不同之处在于,矩形类噪声脉冲是一种部分相干的特殊脉冲,本质上由大量随机变化的小脉冲组成的混沌波包,缺乏时间相干性.由于类噪声脉冲易于产生,具有大的脉冲能量,宽而平滑的光谱,低相干性等特点,已经广泛应用于超连续谱产生㊁材料微加工和低相干光谱测量等领域[7,8].到目前为止,人们已在掺铒㊁掺镱和掺铥光纤激光器中获得了矩形类噪声脉冲,并对其脉冲动力学行为进行了实验研究,比如矩形类噪声脉冲与孤子分子共存㊁矩形类噪声脉冲与耗散孤子共振共存㊁矩形类噪声脉冲双波长可切换操作以及调Q 锁模矩形类噪声脉冲等[9,10].此外,多项研究表明,在具有高非线性的谐振腔中,与耗散孤子共振具有无限增大脉冲宽度不同,矩形类噪声脉冲通过调节偏振控制器或增加泵浦功率,脉冲会发生第50卷 第1期2024年1月 曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t yV o l .50 N o .1J a n .2024分裂,形成多个脉冲,并演化出谐波锁模操作.虽然已有关于矩形类噪声脉冲的相关报道,但目前对非线性光纤环形镜(N O L M)锁模光纤激光器产生的类噪声脉冲特性还没有深入的研究.考虑到矩形类噪声脉冲潜在的应用前景以及其丰富的动力学特性,有必要对类噪声多脉冲演化行为进行进一步研究,这既有助于加深类噪声机制原理的理解,也促进其在超快激光器领域的发展和应用.本文利用N O L M作为可饱和吸收体搭建了 8 字形谐振腔激光器.实验中,通过调节腔内参数可以获得脉冲宽度从1.25n s到4.35n s可调,单脉冲能量可达7.72n J的矩形类噪声脉冲.此外,随着腔内非线性的积累,矩形类噪声脉冲分裂为脉冲间距不等㊁脉冲间距相等的矩形类噪声脉冲簇以及各阶谐波类噪声多脉冲.实验结果有助于进一步理解矩形类噪声脉冲的本质特性.1实验装置实验中所用的光纤激光器装置如图1所示,由左右两环构成,呈 8 字形腔结构.在整个激光谐振腔中,一个最大输出功率为515mW的980n m半导体激光器作为泵浦源,通过波分复用器(WD M)对2.8m长掺铒光纤(E D F)进行泵浦.一个偏振无关隔离器(P I-I S O)确保激光在左侧环内单向传输.一个30/70的光纤耦合器(O C2)用于连接左右两环,从而形成 8 字形腔结构.右环是由30/70的光纤耦合器构成的N O L M,由于耦合器分光比的不同,N O L M内两路强度不同的光相向传输,在环内往返一周后获得的非线性相移不同,从而形成强度相关的透射特性,以实现锁模.环内加入80m单模光纤(S M F)用来增加腔长并提高腔内非线性,使其有利于矩形类噪声的产生.两个偏振控制器(P C1和P C2)用来调节腔内激光偏振态的状态,一个10/90的耦合器(O C1)作为输出端口,将10%的激光能量输出腔外用于各种仪器的探测.实验所用掺铒光纤的尺寸为6/125μm,数值孔径(N A)为0.23,其在1550n m处群速度色散为-18.5 p s/(n m㊃k m),在980n m处泵浦吸收系数为3.86 d B/m.单模光纤的尺寸为9/125μm,在1550n m 处衰减系数和群速度色散分别为0.19d B/k m和17 p s/(n m㊃k m).整个谐振腔长度为93.8m,谐振腔总的净腔色散约为-1.907p s2,表明整个谐振腔工作在反常色散区域.实验中,输出脉冲的光谱特性使用光谱分析仪(A n r i t s u,M S9740A)进行测量,时域脉冲序列使用带宽4G H z,采样率20G S a/s的高速数字示波器(K E Y S I G H T,M S O S404A)进行观测,脉冲宽度使用自相关仪(F e m t o c h r o m e,F R-103X L)来探测.同时,使用光功率计(J o i n w i t,J W3209)测量输出脉冲的平均功率.图1基于非线性光纤环形镜锁模光纤激光器实验装置图2实验结果与分析2.1典型类噪声锁模实验中,N O L M发挥类可饱和吸收效应[11],通过调节偏振控制器P C1与P C2的角度,升高泵浦功率到119.5mW,被动锁模激光器可以获得稳定的类噪声锁模,如下页图2所示.图2(a)为典型类噪声脉冲的光谱,光谱宽且光滑,无明显凯利边带,其中心波长为1563.1n m,光谱3d B带宽为10n m.图2(b)为锁模脉冲序列,相邻脉冲间距为460n s.图2(c)为扫描带宽2MH z㊁分辨率1k H z时的射频谱图,最大强度信号与2.19MH z频率对应,与总腔长93.8m对应的时间周期相一致,说明激光器处于基频锁模状态.射频谱中46d B的信噪比,表明激光器工作在稳定状态.图2(c)插图为2G H z范围的射频谱,可以看到射频谱在大范围内表现为周期调制,约为1G H z调制周期,这与1n s的矩形脉冲宽度成反比.为了验证该锁模脉冲为类噪声脉冲,图2 (d)给出了对应的自相关迹,可以看到一个狭窄的尖峰坐落于宽的能量基座上,尖峰的宽度为0.643p s,与典型类噪声脉冲特点相符.由于传统的光谱仪测出的是时间平均光谱,其掩盖了类噪声脉冲的实际光谱信息,可通过采用色散傅里叶变换技术获得类噪声脉冲的实时光谱演化48曲阜师范大学学报(自然科学版)2024年特性[12],如图3所示,可以看出类噪声脉冲光谱表现出混沌的演化过程,具有低相干性,也进一步验证了光纤激光器处于类噪声锁模状态.(a )光谱;(b )时域脉冲序列及单个矩形脉冲;(c )射频谱,插图是扫描范围为2G H z 的射频谱;(d)自相关曲线图2矩形类噪声脉冲图3 矩形类噪声脉冲的光谱演化当类噪声单脉冲形成后,保持偏振控制器P C 1与P C 2不变,逐渐增加泵浦功率,类噪声脉冲的能量会逐渐增加并且脉冲包络不产生分裂.表现为输出的矩形脉冲脉宽会随着泵浦的增强而展宽,但是脉冲振幅基本保持不变,脉冲光谱和脉冲宽度的演化如图4(a )所示.随着泵浦功率的升高,光谱3d B带宽有轻微变化,从10.5n m 到11n m.值得注意的是,泵浦功率变化过程中,光谱中心波长始终处于1566.9n m 不变.图4(b)表示脉冲宽度随着泵浦功率的演化关系,随着泵浦功率逐渐升高,矩形脉冲脉宽也相应展宽,展宽过程中脉冲一直未分裂.图4(c )是随着泵浦功率的增加,脉冲宽度与输出功率的演化图,泵浦功率从120mW 升高到448mW ,脉冲宽度由1.25n s 增宽到4.35n s ,输出功率也随之从4.8mW 增大到16.9mW ,其腔内单脉冲能量相应从2.19n J 增加到7.72n J.(a )光谱演化;(b)脉冲演化;(c)泵浦功率与脉冲宽度㊁输出功率变化关系图4 类噪声锁模演化2.2 相邻脉冲间距不等的类噪声脉冲簇一般来说,泵浦功率增加到一定程度,腔内非线性相移会积累过量,锁模脉冲容易发生分裂,从而形成多脉冲.为了获得丰富的多脉冲演化行为,升高泵浦功率到460mW ,矩形类噪声脉冲开始分裂,由单脉冲分裂为3个次脉冲,相邻脉冲间距不相等,脉冲序列如下页图5(a )所示.保持泵浦功率460mW不变,通过改变腔内偏振控制器P C 1与P C 2的状态,周期时间内所对应的脉冲数量由原来的3个变为4个和6个,如图5(b )和5(c )所示.插图是多脉冲状态下单个类噪声脉冲的放大图,每个脉冲波包形状均为矩形,随着脉冲簇内次脉冲数目的增加,脉宽从1.7n s 减小到0.5n s .在整个调节偏振控制器的过程中,由脉冲序列图中可知,脉冲簇中的脉冲个58第1期 李凯芯,等:光纤激光器中矩形类噪声多脉冲的行为研究数逐渐增多,脉冲宽度逐渐减小,且相邻脉冲间的间距不相等,随机分布.这种随机变化的脉冲间距可能源于脉冲之间的相互作用.(a)3脉冲;(b)4脉冲;(c)6脉冲图5多个脉冲间距不规则的矩形类噪声2.3相邻脉冲间距相等的类噪声脉冲簇进一步仔细调节偏振控制器P C1,固定P C2的角度不变,当泵浦功率达到480mW时,由于相位关系的改变,在示波器上可以观察到另一种多脉冲运行状态,如图6所示.图6(a)给出的是矩形类噪声单脉冲分裂为2个脉冲,这2个脉冲形成脉冲簇,整体作为一个单元以基频的方式在腔内传输.固定偏振控制器P C1,轻微调节P C2,并逐渐增大泵浦功率到495mW㊁515mW,脉冲继续发生分裂,在相等时间间隔的位置分裂出第3个次脉冲与第4个次脉冲,如图6(b)和6(c)所示,因此,这3种情况下脉冲簇内的次脉冲之间具有相等的时间间隔,大约为9n s.内插图为锁模脉冲序列中的单个脉冲放大图,可以观察到每个脉冲形状均为矩形,脉冲宽度由1.1n s减小到0.55n s.所有脉冲峰值强度近似相等,说明时域波形稳定性较好.(a)2脉冲;(b)3脉冲;(c)4脉冲图6多个脉冲间距一致的矩形类噪声2.4谐波类噪声实验中,升高泵浦功率到446mW,固定偏振控制器P C1,微调P C2的角度,在适当的偏振状态下,谐振腔可以实现基频矩形类噪声脉冲输出,锁模脉冲序列如下页图7(a)所示.脉冲与脉冲之间的间距约为460n s,对应基频2.19MH z,这是由谐振腔的总长度决定的.保持偏振控制器P C1与P C2的角度均不变,逐渐升高泵浦功率到469mW㊁492mW,可以观察到锁模脉冲发生分裂,获得谐波锁模输出.68曲阜师范大学学报(自然科学版)2024年如图7(b)为2次谐波锁模脉冲序列图,一个时间周期内单脉冲分裂为2个次脉冲,相邻脉冲间距减小到230n s,对应脉冲的重复频率为4.38MH z.4次谐波的脉冲序列如图7(c)所示,在一个时间周期内,脉冲数目由2个增加到4个,脉冲间隔减小为115n s,相应重复频率增大到为8.76MH z.插图为锁模脉冲序列的单个脉冲展示,脉冲形状保持矩形不变,脉冲宽度由1.23n s减小到0.45n s.整个演化过程中,锁模光谱形状无明显变化,所有脉冲峰值强度几乎保持一致.与前述的脉冲簇不同的是,脉冲序列中所有脉冲保持一致的间距.本质上,谐波锁模的产生与谐振腔内的损耗和增益恢复所导致的群速度失谐相关,进而使相邻脉冲之间产生相互排斥作用.实验中,随着脉冲分裂数目的变化,宽且光滑的光谱轮廓始终保持不变.多脉冲自相关迹表现为典型类噪声锁模特征,表明激光器工作在类噪声状态下不变.(a)基频;(b)2次谐波;(c)4次谐波图7矩形类噪声谐波锁模在被动锁模光纤激光器中,非线性效应是导致脉冲演化与动力学过程产生的关键.虽然类噪声在示波器上呈现为一个 单脉冲 ,实际上矩形类噪声是一个大的脉冲包络,由许多振幅和脉宽不相同的超短脉冲束缚在一起的波包.此外,泵浦功率或者偏振控制器的改变都会造成腔内非线性效应的改变,从而导致脉冲之间的相互作用也会改变.矩形类噪声脉冲与耗散孤子共振脉冲不同,能量不会持续增大,而是在特定条件下产生脉冲分裂,分裂出来的小脉冲通过随机地重构会重新演化成其他的矩形类噪声脉冲.因此,通过改变这些已经形成的矩形类噪声多脉冲之间的非线性相互作用,多脉冲在腔内进行重组,从而演化出不同形态的矩形类噪声多脉冲.这一极为特殊的性质,有助于我们进一步理解矩形类噪声脉冲的物理机制.3结论本文基于非线性光纤环形镜的 8 字形腔结构被动锁模掺铒激光器实现了稳定的类噪声锁模.脉冲间距不等㊁脉冲间距相等的矩形类噪声脉冲簇以及各阶谐波类噪声多脉冲可以通过仔细调节偏振控制器与泵浦功率相继实现.我们发现随着腔内脉冲数的增加,单个矩形类噪声脉冲宽度逐渐减小.实验结果有助于进一步理解矩形类噪声多脉冲的机理与动力学特性.另外,S a g n a c环形镜作为实验中激光器的锁模器件,它既可以作为一个可饱和吸收体,也可以发挥梳状滤波的功能.通过适当地调节环内光纤的双折射,在此腔形结构中,多波长矩形类噪声脉冲将有望被实现.参考文献:[1]R I C HA R D S O N DJ,N I L S S O N J,C L A R K S O N W A.H i g h p o w e r f i b e r l a s e r s:c u r r e n t s t a t u sa n df u t u r e p e r-s p e c t i v e s[J].JO p t S o cA m B,2010,27(11):63-92.[2]P H I L L I P SK C,G A N D H IH H,MA Z U R E,e t a l.U l-t r a f a s t l a s e r p r o c e s s i n g o fm a t e r i a l s:Ar e v i e w[J].A d vO p tP h o t o n i c s,2015,7(4):684-712.[3]董自凯,宋晏蓉.光纤激光器被动锁模技术研究进展[J].中国激光,2021,48(5):98-113.[4]HO R OW I T Z M,B 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