1.5μm單頻光纖激光器內(nèi)部噪聲機理研究

單頻激光在相干光通信、引力波探測、量子保密通信等領(lǐng)域有著應(yīng)用需求，其中激光噪聲直接制約著系統(tǒng)傳輸距離和探測精度。噪聲主要源于幅度上強度噪聲和頻率上相位噪聲（或頻率噪聲），半導(dǎo)體單頻激光已將噪聲水平降到很低。國外已有研究機構(gòu)推出了基于多組分玻璃光纖的單頻激光，但這種激光器的噪聲還需進一步降低。 本項目研究短DBR型單頻光纖激光腔內(nèi)部噪聲起源、探索抑制噪聲新技術(shù)與新方法等科學(xué)問題，主要內(nèi)容：（1）相位噪聲極限中的材料基礎(chǔ)問題研究；（2）彈性散射相關(guān)的量子噪聲基礎(chǔ)問題研究；（3）與非彈性散射及非線性效應(yīng)相關(guān)的量子噪聲基礎(chǔ)問題研究；（4）與熱效應(yīng)相關(guān)的量子噪聲問題研究；（5）探索研究單頻激光噪聲抑制的技術(shù)和方法。 本項目取得重要結(jié)果： ⑴材料基礎(chǔ)問題方面：①研究了光纖基質(zhì)玻璃材料光學(xué)特性，揭示了光纖材料彈性散射、非彈性散射等與激光量子噪聲關(guān)系，拉制了兩種高摻磷酸鹽光纖，增益大于12dB/cm和10dB/cm。②研究了稀土離子發(fā)光、能量傳遞等問題，闡明了稀土離子濃度、發(fā)光效率、熒光壽命等對自發(fā)輻射與腔模耦合影響，拉制了高摻Tm鍺酸鹽光纖，增益大于3dB/cm。 ⑵噪聲機理方面：①發(fā)現(xiàn)了高功率運轉(zhuǎn)下泵浦功率起伏誘導(dǎo)腔內(nèi)溫度場擾動是引起頻率噪聲主要原因。②建立了磷酸鹽單頻光纖激光中泵浦誘導(dǎo)產(chǎn)生頻率噪聲理論模型，推導(dǎo)出其表達式 。③發(fā)現(xiàn)了單頻激光在低輸出功率下有明顯ASE噪聲，分布在馳豫振蕩頻率以上直至接近量子噪聲極限。 ⑶噪聲抑制方面：①實現(xiàn)了虛擬折疊腔對單頻激光線寬的壓縮，獲得了線寬820Hz單頻激光。②實現(xiàn)了慢光虛擬折疊腔對單頻激光線寬進一步壓縮，獲得了線寬600 Hz單頻激光。③濾除ASE和提高SBS閾值，用保偏光纖放大器實現(xiàn)了功率10.9 W、波長1560nm單頻激光輸出。④基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)設(shè)計了強度噪聲抑制電路，實現(xiàn)了弛豫振蕩峰抑制幅度大于20dB，至-150dB/Hz。⑤用光電負反饋對單頻激光強度和頻率噪聲進行了抑制，實現(xiàn)了0.3-3kHz范圍強度噪聲下降20dB，至-110dB/Hz；1kHz處頻率噪聲下降10dB，至40dB re Hz/Hz1/2。⑥用單頻激光自注入鎖定實現(xiàn)了頻率與強度噪聲大幅抑制，頻率噪聲抑制25dB，線寬從3.5 kHz壓縮到700 Hz；強度噪聲抑制帶寬達30MHz，馳豫振蕩峰抑制35 dB，從-90 dB/Hz到-125 dB/Hz。

噪聲對單頻激光的性能有著嚴重的劣化效應(yīng)，本項目以研究基于新型高增益玻璃光纖的1.5μm波段單頻光纖激光器內(nèi)部噪聲產(chǎn)生及抑制所涉及的新原理與新方法等基礎(chǔ)問題為目標(biāo)，著重研究基質(zhì)玻璃中稀土離子的激發(fā)、能量傳遞、躍遷等物理過程對自發(fā)發(fā)射光的影響規(guī)律，探索自發(fā)發(fā)射光對量子噪聲的影響機制；研究光纖制備及熔接中納米級團蔟、芯包層界面及熔融點界面組分與結(jié)構(gòu)的微不均勻性，探索由此引起的彈性散射以及熱彈性散射對量子噪聲的影響機制；研究光纖材料中原子、分子、價鍵結(jié)構(gòu)及非線性折射率等與非彈性散射、非線性效應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)系，探索非彈性散射和非線性效應(yīng)對量子噪聲的影響機制。建立短DBR型單頻光纖激光諧振腔噪聲分析理論模型，實驗研究抑制單頻激光噪聲的方法。本項目研究將有助于加深人們對單頻光纖激光噪聲等物理問題的理解，促進超低噪聲單頻光纖激光材料及器件技術(shù)的發(fā)展。

采用基于增益光柵的自適應(yīng)環(huán)形激光諧振腔結(jié)構(gòu)，開展種子注入調(diào)Q脈沖單頻激光器穩(wěn)頻機理研究，提高單頻輸出激光的頻率穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。研究增益光柵的二維動態(tài)特性，獲得增加增益光柵的橫向光場變化范圍的途徑；研究在腔內(nèi)插入相關(guān)元件變換腔內(nèi)光束尺寸方法，抑制相位共軛反射率不一致，消除相互作用光束的橫向形狀和光束位置變化對穩(wěn)頻的影響，揭示種子注入環(huán)形激光諧振腔擴展增益光柵作用區(qū)域穩(wěn)頻的機理；優(yōu)化諧振腔光學(xué)元件的參數(shù)，獲得高重復(fù)頻率、大脈沖能量、高光束質(zhì)量的調(diào)Q脈沖單頻穩(wěn)頻激光輸出；研究穩(wěn)頻系統(tǒng)的抗干擾特性，獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，為探索調(diào)Q脈沖單頻穩(wěn)頻激光器可靠性的提高提供一新途徑，為激光雷達、光電對抗等系統(tǒng)的研究提供支撐。

理論上分析了介質(zhì)中主要存在的增益光柵，包括透射光柵和反射光柵，對飽和增益介質(zhì)中的簡并四波混頻橫向二維特性進行分析。分別討論了穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)和一般時間狀態(tài)下四波混頻的相互作用特性。 針對非互易式單頻脈沖激光器進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定了激光器結(jié)構(gòu)，增益介質(zhì)，泵浦源的參數(shù)，分析了輸出，泵浦，介質(zhì)增益三者的關(guān)系。為保證環(huán)路的增益，采用Nd:YVO4作為增益介質(zhì)。設(shè)計了掠入射式結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)緊湊的同時保證自交叉光夾角足夠小，提高增益光柵的衍射效率和輸出效率。 采用非互易式環(huán)形脈沖激光器結(jié)構(gòu)進行實驗，獲得了自啟動的單頻脈沖輸出。為提高輸出脈沖能量和單頻穩(wěn)定性，通過優(yōu)化輸出鏡、非互易式原件分辨偏振光的能力、自交叉光的交叉角以及增益光柵區(qū)域與泵浦區(qū)域的匹配的方法，從整體上提高了整個增益光柵激光系統(tǒng)的匹配程度，得到單脈沖能量0.9mJ，脈沖寬度8ns，重頻10Hz，線寬約0.98pm的穩(wěn)定單頻輸出。 在自啟動單頻脈沖輸出的基礎(chǔ)上，采用外部種子沿著信號光方向注入環(huán)路，引導(dǎo)增益光柵形成，使增益光柵記錄種子光的全部信息。首次得到了中心波長在種子光的譜線范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出，證明了通過增益光柵實現(xiàn)穩(wěn)頻輸出的構(gòu)想。

與單芯光纖激光器相比多芯光纖激光器有著更大的有效模場面積,有利于提高光束的輸出功率。多芯光纖激光器因各個纖芯之間互相稱合直接形成超模傳導(dǎo)因為各個纖芯之間的距離已定,所以纖芯之間的相位差已經(jīng)鎖定,同時纖芯之間的離散分布有利于` 響I。多芯光纖的出現(xiàn)為高功率激光輸出光纖激光器的實現(xiàn)提供又一種可能。因為多芯光纖激光器具備其它光纖難以比擬的獨特優(yōu)勢,國外很多知名研究機構(gòu)展開了大量的理論和試驗研究,例如美國Arizona大學(xué)、PC Photonics、英國QinctiQ和俄羅斯Troitsk新技術(shù)研究中心等。已有大量關(guān)于7芯、19芯、37芯等不同纖芯數(shù)目和不同結(jié)構(gòu)的多芯光纖激光器研究報道。

2001年,P.K.Cheo等人報道了七芯光纖激光鎖相輸出的詳細情況。整個光纖的光束質(zhì)量較好,其中輸出總功率超過5 同相超模數(shù)值孔徑NA為0.15,光束質(zhì)量因子M2<1.2,斜效率為65.2%,遠場中央主瓣功率超過總功率的80%[31]。2004年,Cheo等人對19芯光纖進行試驗,輸出功率超過100 W,遠場光束質(zhì)量因子為M2為1.5,這個值接近同相超模光束質(zhì)量理論值。

2005年,L.MichaiUe等人對六芯光子晶體光纖進行試驗,實現(xiàn)激光的鎖相輸出,其斜效率為649^,合成光束遠場發(fā)散角小于衍射極限的1.1倍左右。2006年,Michaille等人又對18芯光子晶體光纖進行試驗,實現(xiàn)激光的鎖相輸出,具體數(shù)值為平均功率65 W,斜效率為46%,合成光束場發(fā)散角是衍射極限的1.2倍左右。并且通過實驗驗證了激光器效率隨纖芯數(shù)目增多而降低。

Y.HUO等人主要對多芯光纖激光器理論知識方面進行研究,給出了人們研究多芯光纖激光器方面的理論指導(dǎo),并對其激光輸出建立了完整的理論模型。通過大量試驗及仿真證明激光器的光光轉(zhuǎn)換效率將隨著纖芯數(shù)目的增多而降低,比如說7芯光纖的轉(zhuǎn)換效率為70%,而19芯光纖的光光轉(zhuǎn)換效率則只有50%。Cheo等建立的稱合模理論還表明合成光束質(zhì)量將隨纖芯的增多、輸出功率的提高而下降。國內(nèi)的光纖激光器技術(shù)有著很快的發(fā)展,如北京交通大學(xué)、天津大學(xué)、國防科技大學(xué)等科研機構(gòu)和大學(xué)已經(jīng) 展了關(guān)于多芯光纖激光器的研究,并取得一定成果,但總體來說還處于探索階段。