1、OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室窄线宽光纤激光器研究窄线宽光纤激光器研究报告人：报告人： 俞本立俞本立OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室光纤激光器光纤激光器3、窄线宽光纤激光器、窄线宽光纤激光器1、高功率光纤激光器、高功率光纤激光器2、脉冲光纤激光器、脉冲光纤激光器OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室窄线宽激光器的应用领域窄线宽激光器的应用领域OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室窄线宽光纤激光器的研究进展窄线宽光纤
2、激光器的研究进展1991年年Ball等人首次在长度为等人首次在长度为50cm的掺铒石英的掺铒石英光纤两端各写入一段光纤布拉格光栅光纤两端各写入一段光纤布拉格光栅（FBG）实现分布布拉格反射（）实现分布布拉格反射（DBR）型光纤激光器获得线宽为型光纤激光器获得线宽为47kHz的激光的激光1995年年D. N. Payne等人利用环形腔结构实现等人利用环形腔结构实现了了0.95kHz的激光输出的激光输出M. Sejka等人采用相移光栅，实现等人采用相移光栅，实现了线宽为了线宽为13kHz的激光输出的激光输出OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室2004年年
3、Christine Spiegelberg等人在等人在DBR型型光纤激光器的结构之上，首先利用一段光纤激光器的结构之上，首先利用一段长度为长度为2cm的铒镱共掺磷酸盐光纤作为的铒镱共掺磷酸盐光纤作为增益介质，实现了线宽小于增益介质，实现了线宽小于1kHz ，功，功率率200mW的激光输出。的激光输出。 丹麦的丹麦的NKT Photonics公司采用分布反馈公司采用分布反馈型（型（DFB）结构制作的窄线宽光纤激光）结构制作的窄线宽光纤激光器实现了线宽小于器实现了线宽小于1kHz，功率，功率200mW的激光输出的激光输出 窄线宽光纤激光器的研究进展窄线宽光纤激光器的研究进展OEIAM 光电信息获取
4、与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室2006年年耿继宏等利用耿继宏等利用Spiegelberg小组的窄线宽光纤激光器作为布里渊光纤激光小组的窄线宽光纤激光器作为布里渊光纤激光器泵浦源并结合稳频技术，实现了线宽接近器泵浦源并结合稳频技术，实现了线宽接近75Hz的激光输出的激光输出2009年年耿继宏等利用掺铥玻璃光纤，耿继宏等利用掺铥玻璃光纤， 采用分布布拉格反射型结构采用分布布拉格反射型结构（DBR），实现了），实现了2um波段线波段线宽小于宽小于3kHz的窄线宽激光输的窄线宽激光输出出窄线宽光纤激光器的研究进展窄线宽光纤激光器的研究进展OEIAM 光电信息获取与控制教育部重
5、点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室安徽大学采用环形腔结合饱和吸收安徽大学采用环形腔结合饱和吸收体的结构实现了线宽小于体的结构实现了线宽小于1kHz1kHz激光激光输出，并在此基础上研制出了系列输出，并在此基础上研制出了系列窄线宽光纤光源窄线宽光纤光源国防科技大学孟洲采用保偏掺国防科技大学孟洲采用保偏掺铒光纤作为饱和吸收体实现了铒光纤作为饱和吸收体实现了1.5kHz1.5kHz的线偏振激光输出的线偏振激光输出2001年年2006年年窄线宽光纤激光器的研究进展窄线宽光纤激光器的研究进展OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室华南理工大学姜中宏，杨中民
6、小组采用分布布拉格反射（华南理工大学姜中宏，杨中民小组采用分布布拉格反射（DBRDBR）结构和）结构和自行研制的铒镱共掺光纤已实现了自行研制的铒镱共掺光纤已实现了20kHz20kHz线宽激光输出线宽激光输出 中科院半导体所的祝宁华小组布研制的布里渊掺铒光纤激光器实现了线中科院半导体所的祝宁华小组布研制的布里渊掺铒光纤激光器实现了线宽小于宽小于1.5kHz1.5kHz的激光输出的激光输出 北京航空航天大学，成都电子科技大学等小组近几年来也开展了窄线宽光北京航空航天大学，成都电子科技大学等小组近几年来也开展了窄线宽光纤激光器的研究并取得了一定研究成果纤激光器的研究并取得了一定研究成果2008年年2
7、010年年华南理工大学姜中宏，杨中民小组华南理工大学姜中宏，杨中民小组采用分布布拉格反射（采用分布布拉格反射（DBRDBR）结构）结构和自行研制的铒镱共掺光纤已实现和自行研制的铒镱共掺光纤已实现了了300mW300mW功率，线宽小于功率，线宽小于2kHz2kHz的激的激光输出光输出 窄线宽光纤激光器的研究进展窄线宽光纤激光器的研究进展OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室窄线宽光纤激光器的基本结构窄线宽光纤激光器的基本结构基本采用缩短谐振腔长基本采用缩短谐振腔长度以增大纵模间隔或消度以增大纵模间隔或消除空间烧孔效应以实现除空间烧孔效应以实现单频窄线宽输
8、出单频窄线宽输出 线形腔线形腔环形腔环形腔基本采用窄带滤波的方法，由基本采用窄带滤波的方法，由于现有全光纤窄带滤波器带宽于现有全光纤窄带滤波器带宽仍然较宽很难实现单纵模输出，仍然较宽很难实现单纵模输出，目前常用的方法即利用一段未目前常用的方法即利用一段未泵浦有源光纤中形成的饱和吸泵浦有源光纤中形成的饱和吸收体实现窄带滤波以得到窄线收体实现窄带滤波以得到窄线宽输出宽输出 OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室窄线宽光纤激光器基本结构的比较窄线宽光纤激光器基本结构的比较线形腔结构线形腔结构环形腔结构环形腔结构优点：结构简单优点：结构简单缺点：调谐方法单一，
9、调谐范围小缺点：调谐方法单一，调谐范围小优点：调谐方法种类多样，调谐范围较大优点：调谐方法种类多样，调谐范围较大缺点：结构较为复杂缺点：结构较为复杂本实验室选择了环形腔激光器结构作为窄线宽光纤激光器的基本结构本实验室选择了环形腔激光器结构作为窄线宽光纤激光器的基本结构OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室 2008年实现了年实现了180mW线偏振调频窄线宽激光输出线偏振调频窄线宽激光输出。 2001年采用环形腔结构实现了线宽小于年采用环形腔结构实现了线宽小于1kHz的激光输出；的激光输出； 2003年实现了波长可调谐窄线宽激光输出年实现了波长可调谐窄线
10、宽激光输出； 2005年实现了稳定的年实现了稳定的低噪声低噪声线偏振窄线宽激光输出；线偏振窄线宽激光输出； 2007年实现了稳定的线偏振调频窄线宽激光输出，并获国年实现了稳定的线偏振调频窄线宽激光输出，并获国家发明专利一项；家发明专利一项；安徽大学窄线宽光纤激光器的研究进展安徽大学窄线宽光纤激光器的研究进展OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室安徽大学窄线宽光纤激光器基本结构安徽大学窄线宽光纤激光器基本结构环行器环行器2脚连接的掺铒光脚连接的掺铒光纤和光纤光栅是激光器纤和光纤光栅是激光器的关键器件，该段的关键器件，该段掺铒光掺铒光纤是纤是一段未泵浦有源
11、光纤，一段未泵浦有源光纤，其中形成的饱和吸收体其中形成的饱和吸收体实现窄带滤波以得到窄实现窄带滤波以得到窄线宽输出线宽输出“线宽小于线宽小于0.5kHz0.5kHz稳态的单频光纤环形腔激光器稳态的单频光纤环形腔激光器”，量子电子，量子电子学报，学报，20012001OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室输出激光特性测量输出激光特性测量图图1 1图图1 1为激光零拍测量谱，激光由一个主模及一系列边模组成，为激光零拍测量谱，激光由一个主模及一系列边模组成，其间的小峰是由另一本征偏振态引发。其间的小峰是由另一本征偏振态引发。图图2 2图图2 2是激光线宽测量
12、图，为了消除隔直电容的影响，采用了是激光线宽测量图，为了消除隔直电容的影响，采用了数据拟合，可以看出激光输出线宽约为数据拟合，可以看出激光输出线宽约为0.5kHz0.5kHz。OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室图图3 3图图4 4图图3 3和图和图4 4分别为激光的主模及第一边模，可以看出边模抑制分别为激光的主模及第一边模，可以看出边模抑制比达比达50dB50dB，因此证明该激光为很好单频激光，因此证明该激光为很好单频激光输出激光单频特性测量输出激光单频特性测量OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室低噪声窄
13、线宽光纤激光器低噪声窄线宽光纤激光器激光二极管抽运的全固化单频固体激光器强度噪声在几个激光二极管抽运的全固化单频固体激光器强度噪声在几个kHz kHz 到几个到几个MHz MHz 频率之间也存在弛豫振荡噪声，可以通过光电负频率之间也存在弛豫振荡噪声，可以通过光电负反馈的方法解决。反馈的方法解决。研究背景研究背景窄线宽光纤激光器的输出激光包含着明显的弛豫振荡峰窄线宽光纤激光器的输出激光包含着明显的弛豫振荡峰, ,这使这使得光纤激光器的低频范围内强度噪声较为明显得光纤激光器的低频范围内强度噪声较为明显, ,光纤激光器在光纤激光器在光传感和光通信领域的广泛应用迫切要求降低光纤激光器的光传感和光通信领
14、域的广泛应用迫切要求降低光纤激光器的低频强度噪声。低频强度噪声。研究思路研究思路将此借鉴到光纤激光器中将此借鉴到光纤激光器中OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室低噪声窄线宽光纤激光器结构低噪声窄线宽光纤激光器结构“低噪声光纤激光器的实验研究低噪声光纤激光器的实验研究” ” 光学学报，光学学报，200620061 1、通过对光纤激光器光路的、通过对光纤激光器光路的改进改进, ,得到了光谱信噪比较高得到了光谱信噪比较高的单频窄线宽激光输出的单频窄线宽激光输出; ; 2 2、利用光电负反馈实现对激、利用光电负反馈实现对激光器弛豫振荡噪声的抑制光器弛豫振荡噪
15、声的抑制OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室低噪声窄线宽光纤激光器特性低噪声窄线宽光纤激光器特性光谱测试图光谱测试图降噪前后强度噪声对比图降噪前后强度噪声对比图通过光谱测试图可以看出该种结构有效的抑制了通过光谱测试图可以看出该种结构有效的抑制了ASEASE光，提高了光谱信光，提高了光谱信噪比，光谱信噪比大于噪比，光谱信噪比大于62 dB62 dB。采用光电负反馈电路后采用光电负反馈电路后, ,光纤激光器的强度噪声有了很明显的改善光纤激光器的强度噪声有了很明显的改善, ,特特别是在弛豫振荡峰处强度噪声下降了约别是在弛豫振荡峰处强度噪声下降了约25 dB
16、25 dB。OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室2 2、通过不同调制方案的对、通过不同调制方案的对比，为保证调制特性的稳定，比，为保证调制特性的稳定，确定光纤相位调制器作为调确定光纤相位调制器作为调频器件频器件1 1、采用全保偏器件，提高、采用全保偏器件，提高了输出激光的偏振稳定性了输出激光的偏振稳定性掺掺铒铒光光纤纤2 2光光纤纤光光栅栅环环形形器器耦耦合合器器隔隔离离器器波波分分复复用用器器相相位位调调制制器器掺掺铒铒光光纤纤1 1激激光光输输出出泵泵浦浦激激光光器器线偏振调频窄线宽光纤激光器结构线偏振调频窄线宽光纤激光器结构“Frequency
17、 modulated and polarization maintaining fiber laser “Frequency modulated and polarization maintaining fiber laser with narrow linewidthwith narrow linewidth”, Optics Communications, 2007”, Optics Communications, 2007OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室线偏振调频窄线宽光纤激光器特性测试线偏振调频窄线宽光纤激光器特性测试0.02.0M4.0
18、M6.0M8.0M10.0M-90-80-70-60-50-40-30-20-10intensity/dBmfrequency/Hz0204060800510152025Extinction Ratio/dBtime/minute偏振稳定性测试图偏振稳定性测试图激光调频谱图激光调频谱图实现了稳定线偏振输出，偏振消光比大于实现了稳定线偏振输出，偏振消光比大于20dB20dB实现稳定的频率调制，最大频偏量接近实现稳定的频率调制，最大频偏量接近8MHz8MHzOEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室大功率窄线宽光纤激光器结构（大功率窄线宽光纤激光器结构（MOP
19、A）波波分分复复用用器器3 3波波分分复复用用器器4 4波波分分复复用用器器1 1光光隔隔离离器器1 1隔隔离离器器2 2铒铒光光纤纤1 1铒铒光光纤纤2 2泵泵浦浦2 2泵泵浦浦3 3泵泵浦浦4 4输输出出光光纤纤激激光光器器波波分分复复用用器器2 2泵泵浦浦1 1采用双级放大结构，输出激光具有高功率，高光谱信噪比采用双级放大结构，输出激光具有高功率，高光谱信噪比OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室激光器参数激光器参数NPNP公司公司KOHERASKOHERAS公司公司安徽大学安徽大学最大输出功率最大输出功率125mW125mW可到可到2W2W18
20、0 mW180 mW最小线宽最小线宽1 kHz1 kHz1 kHz1 kHz1 kHz1 kHz光谱信噪比光谱信噪比65 dB65 dB(50pm(50pm分辨率带宽分辨率带宽) )50 dB50 dB(50pm(50pm分辨率带宽分辨率带宽) )50 dB50 dB( (由我们所用光谱仪由我们所用光谱仪80pm80pm分辨率带宽限制分辨率带宽限制，如使用，如使用50pm50pm分辨率分辨率带宽应当会更高带宽应当会更高) )弛豫振荡峰值强度噪声弛豫振荡峰值强度噪声-110dB/Hz-110dB/Hz-115 dB/Hz-115 dB/Hz-110-110- -100 dB/Hz100 dB/H
21、z偏振消光比偏振消光比23 dB23 dB未提供此参数未提供此参数23 dB23 dB调谐范围调谐范围20GHz20GHz0.8nm, 0.8nm, 温度调谐温度调谐20pm,PZT20pm,PZT调谐调谐30nm30nm快速频率调制范围快速频率调制范围250MHz250MHz未提供此参数未提供此参数10MHz10MHz调制速度调制速度到到10kHz10kHz到到100kHz100kHz到到GHzGHz与国外同类产品关键参数对照表与国外同类产品关键参数对照表OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室窄线宽光纤激光器实物照片窄线宽光纤激光器实物照片OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室将要进行的工作将要进行的工作拟采用气体吸收稳频结合数字电路控制技术稳定输出激光频率，拟采用气体吸收稳频结合数字电路控制技术稳定输出激光频率，进一步压窄激光线宽，实现高稳定度线宽小于进一步压窄激光线宽，实现高稳定度线宽小于200Hz200Hz的激光输出的激光输出OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室光电信息获取与控制教育部重点实验室
