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布里渊光纤激光器的研究及发展前景分析

导读: 受激布里渊散射( SBS) 是光纤中一种典型的非线性现象,具有低阈值功率、超窄线宽增益和极高的转换效率等优点,被广泛应用于激光技术领域。

  1 引言

  受激布里渊散射( SBS) 是光纤中一种典型的非线性现象,具有低阈值功率、超窄线宽增益和极高的转换效率等优点,被广泛应用于激光技术领域。20世纪六、七十年代,伴随着光纤通信技术及光纤制造工艺的发展,1976 年,Hill 等人报道了基于SBS的光纤激光器。布里渊光纤激光器由于其极窄的线宽、极好的相干性和多波长稳定输出的能力,在光纤陀螺、光纤传感、密集波分复用( DWDM) 以及相干光通信系统中具有广泛的应用,是目前国际上激光技术研究的热点之一。本文介绍了布里渊光纤激光器的原理、研究进展,分析了光子晶体光纤在设计多波长布里渊光纤激光器上的优势,讨论了布里渊光纤激光器的发展方向,并且提出了制作高稳定的布里渊光纤激光器的有效方法。

  2 原理

  SBS 过程可表述为泵浦光、斯托克斯光通过声波发生的非线性相互作用。泵浦光通过电致伸缩产生声波,引起介质折射率的周期性调制。泵浦引起的折射率光栅通过布拉格衍射散射泵浦光,产生一个与泵浦光有较精确频移的窄线宽信号,即斯托克斯频移。SBS 可以看成仅仅是在泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中使斯托克斯经历了一个光增益的过程。若一个频率为ωs的信号光与一个频率为ωp的连续泵浦光共同在光纤中传播,只要频率差ωp - ωs位于布里渊增益带宽内,信号光就会由于布里渊增益而被放大。在光纤两端加上具有适当反射率的反射镜,对光纤内由受激布里渊散射产生的斯托克斯光提供反馈,就会形成激光振荡。典型布里渊光纤激光器主要由三部分组成: 产生斯托克斯光的增益介质,使斯托克斯光得到反馈并在介质中进行放大的光学谐振腔和激发增益介质的泵浦源。

  3 研究进展

  目前,布里渊光纤激光器的研究方向主要包括:布里渊调Q 光纤激光器、多波长布里渊光纤激光器和布里渊窄线宽光纤激光器。

  3.1 布里渊调Q光纤激光器

  脉冲光纤激光器作为一种新型光源在激光测距、光通信及光传感等领域具有广阔的应用前景。在某些应用场合,为了兼顾灵敏度、测量精度和最长监测距离,脉冲光源要求具备低重复频率、窄脉冲宽度和高峰值功率的特点。对于普通调Q光纤激光器,提高峰值功率的一个有效途径是减少与腔长成正比的脉冲宽度,但是缩短腔长势必减少腔内能量的储存,从而降低脉冲峰值功率。

        1996 年,S.V.Chernikov 等提出一种利用瑞利散射和受激布里渊散射实现的被动调Q光纤激光器。由于光纤中的SBS 具有相位共轭、脉宽压缩、阈值低和后向散射等优点,可有效地提高激光的输出峰值功率,改善光束质量。不足的是,与其他被动调Q 激光器一样,瑞利散射和受激布里渊散射实现的被动调Q 光纤激光器的输出不稳定,表现为脉冲峰值功率和重复周期都有较大的抖动。为了解决这一问题,2003年,南开大学的樊亚仙等提出在瑞利散射和受激布里渊散射实现的被动调Q 光纤激光器中采取脉冲泵浦方式,令所有脉冲具有相同的起始条件,得到了稳定的脉冲输出。同时,吕福云和樊亚仙等对包层泵浦调Q 光纤激光器的SBS 调Q、声光主动调Q 以及主被动混合调Q 进行了一系列实验研究,得到了脉宽2 ns、峰值功率200 kW、重复频率为千赫兹的稳定脉冲输出,实验所得结果比外国同类腔结构的调Q 光纤激光器输出峰值功率高了一个量极。

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