1.5μm单频光纤激光器内部噪声机理研究结题摘要

单频激光在相干光通信、引力波探测、量子保密通信等领域有着应用需求，其中激光噪声直接制约着系统传输距离和探测精度。噪声主要源于幅度上强度噪声和频率上相位噪声（或频率噪声），半导体单频激光已将噪声水平降到很低。国外已有研究机构推出了基于多组分玻璃光纤的单频激光，但这种激光器的噪声还需进一步降低。 本项目研究短DBR型单频光纤激光腔内部噪声起源、探索抑制噪声新技术与新方法等科学问题，主要内容：（1）相位噪声极限中的材料基础问题研究；（2）弹性散射相关的量子噪声基础问题研究；（3）与非弹性散射及非线性效应相关的量子噪声基础问题研究；（4）与热效应相关的量子噪声问题研究；（5）探索研究单频激光噪声抑制的技术和方法。 本项目取得重要结果： ⑴材料基础问题方面：①研究了光纤基质玻璃材料光学特性，揭示了光纤材料弹性散射、非弹性散射等与激光量子噪声关系，拉制了两种高掺磷酸盐光纤，增益大于12dB/cm和10dB/cm。②研究了稀土离子发光、能量传递等问题，阐明了稀土离子浓度、发光效率、荧光寿命等对自发辐射与腔模耦合影响，拉制了高掺Tm锗酸盐光纤，增益大于3dB/cm。 ⑵噪声机理方面：①发现了高功率运转下泵浦功率起伏诱导腔内温度场扰动是引起频率噪声主要原因。②建立了磷酸盐单频光纤激光中泵浦诱导产生频率噪声理论模型，推导出其表达式 。③发现了单频激光在低输出功率下有明显ASE噪声，分布在驰豫振荡频率以上直至接近量子噪声极限。 ⑶噪声抑制方面：①实现了虚拟折叠腔对单频激光线宽的压缩，获得了线宽820Hz单频激光。②实现了慢光虚拟折叠腔对单频激光线宽进一步压缩，获得了线宽600 Hz单频激光。③滤除ASE和提高SBS阈值，用保偏光纤放大器实现了功率10.9 W、波长1560nm单频激光输出。④基于系统传递函数设计了强度噪声抑制电路，实现了弛豫振荡峰抑制幅度大于20dB，至-150dB/Hz。⑤用光电负反馈对单频激光强度和频率噪声进行了抑制，实现了0.3-3kHz范围强度噪声下降20dB，至-110dB/Hz；1kHz处频率噪声下降10dB，至40dB re Hz/Hz1/2。⑥用单频激光自注入锁定实现了频率与强度噪声大幅抑制，频率噪声抑制25dB，线宽从3.5 kHz压缩到700 Hz；强度噪声抑制带宽达30MHz，驰豫振荡峰抑制35 dB，从-90 dB/Hz到-125 dB/Hz。

噪声对单频激光的性能有着严重的劣化效应，本项目以研究基于新型高增益玻璃光纤的1.5μm波段单频光纤激光器内部噪声产生及抑制所涉及的新原理与新方法等基础问题为目标，着重研究基质玻璃中稀土离子的激发、能量传递、跃迁等物理过程对自发发射光的影响规律，探索自发发射光对量子噪声的影响机制；研究光纤制备及熔接中纳米级团蔟、芯包层界面及熔融点界面组分与结构的微不均匀性，探索由此引起的弹性散射以及热弹性散射对量子噪声的影响机制；研究光纤材料中原子、分子、价键结构及非线性折射率等与非弹性散射、非线性效应之间的内在关系，探索非弹性散射和非线性效应对量子噪声的影响机制。建立短DBR型单频光纤激光谐振腔噪声分析理论模型，实验研究抑制单频激光噪声的方法。本项目研究将有助于加深人们对单频光纤激光噪声等物理问题的理解，促进超低噪声单频光纤激光材料及器件技术的发展。

采用基于增益光栅的自适应环形激光谐振腔结构，开展种子注入调Q脉冲单频激光器稳频机理研究，提高单频输出激光的频率稳定性、可靠性和抗干扰能力。研究增益光栅的二维动态特性，获得增加增益光栅的横向光场变化范围的途径；研究在腔内插入相关元件变换腔内光束尺寸方法，抑制相位共轭反射率不一致，消除相互作用光束的横向形状和光束位置变化对稳频的影响，揭示种子注入环形激光谐振腔扩展增益光栅作用区域稳频的机理；优化谐振腔光学元件的参数，获得高重复频率、大脉冲能量、高光束质量的调Q脉冲单频稳频激光输出；研究稳频系统的抗干扰特性，获得具有自主知识产权的关键技术，为探索调Q脉冲单频稳频激光器可靠性的提高提供一新途径，为激光雷达、光电对抗等系统的研究提供支撑。

理论上分析了介质中主要存在的增益光栅，包括透射光栅和反射光栅，对饱和增益介质中的简并四波混频横向二维特性进行分析。分别讨论了稳态，瞬态和一般时间状态下四波混频的相互作用特性。 针对非互易式单频脉冲激光器进行了结构设计，确定了激光器结构，增益介质，泵浦源的参数，分析了输出，泵浦，介质增益三者的关系。为保证环路的增益，采用Nd:YVO4作为增益介质。设计了掠入射式结构，使系统紧凑的同时保证自交叉光夹角足够小，提高增益光栅的衍射效率和输出效率。 采用非互易式环形脉冲激光器结构进行实验，获得了自启动的单频脉冲输出。为提高输出脉冲能量和单频稳定性，通过优化输出镜、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栅区域与泵浦区域的匹配的方法，从整体上提高了整个增益光栅激光系统的匹配程度，得到单脉冲能量0.9mJ，脉冲宽度8ns，重频10Hz，线宽约0.98pm的稳定单频输出。 在自启动单频脉冲输出的基础上，采用外部种子沿着信号光方向注入环路，引导增益光栅形成，使增益光栅记录种子光的全部信息。首次得到了中心波长在种子光的谱线范围内的稳定输出，证明了通过增益光栅实现稳频输出的构想。

与单芯光纤激光器相比多芯光纤激光器有着更大的有效模场面积,有利于提高光束的输出功率。多芯光纤激光器因各个纤芯之间互相称合直接形成超模传导因为各个纤芯之间的距离已定,所以纤芯之间的相位差已经锁定,同时纤芯之间的离散分布有利于` 响I。多芯光纤的出现为高功率激光输出光纤激光器的实现提供又一种可能。因为多芯光纤激光器具备其它光纤难以比拟的独特优势,国外很多知名研究机构展开了大量的理论和试验研究,例如美国Arizona大学、PC Photonics、英国QinctiQ和俄罗斯Troitsk新技术研究中心等。已有大量关于7芯、19芯、37芯等不同纤芯数目和不同结构的多芯光纤激光器研究报道。

2001年,P.K.Cheo等人报道了七芯光纤激光锁相输出的详细情况。整个光纤的光束质量较好,其中输出总功率超过5 同相超模数值孔径NA为0.15,光束质量因子M2<1.2,斜效率为65.2%,远场中央主瓣功率超过总功率的80%[31]。2004年,Cheo等人对19芯光纤进行试验,输出功率超过100 W,远场光束质量因子为M2为1.5,这个值接近同相超模光束质量理论值。

2005年,L.MichaiUe等人对六芯光子晶体光纤进行试验,实现激光的锁相输出,其斜效率为649^,合成光束远场发散角小于衍射极限的1.1倍左右。2006年,Michaille等人又对18芯光子晶体光纤进行试验,实现激光的锁相输出,具体数值为平均功率65 W,斜效率为46%,合成光束场发散角是衍射极限的1.2倍左右。并且通过实验验证了激光器效率随纤芯数目增多而降低。

Y.HUO等人主要对多芯光纤激光器理论知识方面进行研究,给出了人们研究多芯光纤激光器方面的理论指导,并对其激光输出建立了完整的理论模型。通过大量试验及仿真证明激光器的光光转换效率将随着纤芯数目的增多而降低,比如说7芯光纤的转换效率为70%,而19芯光纤的光光转换效率则只有50%。Cheo等建立的称合模理论还表明合成光束质量将随纤芯的增多、输出功率的提高而下降。国内的光纤激光器技术有着很快的发展,如北京交通大学、天津大学、国防科技大学等科研机构和大学已经 展了关于多芯光纤激光器的研究,并取得一定成果,但总体来说还处于探索阶段。