1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
圖1是一個(gè)非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)Er3+-Yb3+共摻雜光纖鎖模激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖。其中增益光纖為康寧公司生產(chǎn)的Er3+-Yb3+增益光纖,長(zhǎng)度為1 m,在976 nm處的吸收系數(shù)為9.6 dB/m,2個(gè)偏振控制器PC1和PC2用以改變光的偏振角度,ISO為偏振相關(guān)光纖隔離器,這幾個(gè)器件共同組合產(chǎn)生非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng),等效為快可飽和吸收體,對(duì)腔內(nèi)光脈沖起選擇、窄化作用,形成穩(wěn)定的超短脈沖輸出。實(shí)驗(yàn)中,使用連接有硅快速光電探測(cè)器的帶寬為200 MHz的Tek數(shù)字示波器(TDS2022B)觀測(cè)激光輸出的時(shí)域特性,使用多功能光譜分析儀(Anritus MS9001A)觀測(cè)激光的頻譜特性并通過(guò)打印機(jī)輸出,使用微功率計(jì)AI9402A測(cè)量激光輸出功率。
鉺鐿共摻環(huán)形腔鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)
1.2 被動(dòng)鎖模原理
根據(jù)H.A.Haus的理論,描述這種被動(dòng)鎖模的動(dòng)力學(xué)過(guò)程表示
式中:l為線(xiàn)性損耗;x為相移;g為增益;Ωg為增益線(xiàn)寬;γ為可飽和吸收系數(shù);δ為自相位調(diào)制;ψ為頻移導(dǎo)致的相移。O.E.Martinez和R.L.Fork對(duì)方程(1)給出了精確解為
由方程(3),可以解出脈沖歸一化寬度τ,歸一化譜寬ωn,增益g,相移ψ和啁啾參數(shù)β等各種參數(shù)。
當(dāng)增益與損耗平衡,即g=l時(shí),可以得出
一般理論認(rèn)為,當(dāng)腔內(nèi)具有較大的負(fù)的群速色散(GVD),激光將處于穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),而且可產(chǎn)生啁啾很少的短脈沖,隨著|GVD|的不斷減少,脈寬逐漸變窄。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
當(dāng)GVD接近于0時(shí),可以獲得最短的脈寬,但此時(shí)激光運(yùn)轉(zhuǎn)很不穩(wěn)定,其原因是因?yàn)槊}寬太窄,使得脈沖的有效增益小于噪聲(脈沖)的增益。當(dāng)增益與損耗處于臨界或小于損耗,激光脈沖熄滅;當(dāng)GVD增大到正值,激光又運(yùn)轉(zhuǎn)在穩(wěn)定脈沖區(qū),而且在正色散區(qū),脈沖和啁啾都很大。對(duì)于Er3+-Yb3+共摻光纖環(huán)形激光器,工作波長(zhǎng)為1.55μm,腔內(nèi)總色散一般為負(fù)色散,穩(wěn)定的輸出脈沖寬度為幾百fs,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。
1.3 高階諧波鎖模
利用非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的方法,還可以獲得高階諧波鎖模脈沖,當(dāng)偏振控制器調(diào)整在某個(gè)位置時(shí),在較低泵浦功率下便可形成基頻鎖模脈沖運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)繼續(xù)增加泵浦功率,脈沖將可以分成2個(gè)或3個(gè)脈沖,形成二階諧波或三階諧波等高次諧波。在一個(gè)環(huán)形激光器中,當(dāng)自相位調(diào)制器(SPM)與GVD相平衡時(shí),會(huì)產(chǎn)生孤子激光脈沖,這種孤子激光器之所以產(chǎn)生高階諧波鎖模運(yùn)轉(zhuǎn),主要機(jī)理是高階孤子的非穩(wěn)定性與基態(tài)孤子間的相互作用所造成,利用光纖中的孤子理論和非線(xiàn)性薛定諤方程可以定性地說(shuō)明其產(chǎn)生過(guò)程。
光纖中的非線(xiàn)性Schr dinger方程為
式中:E為光脈沖電場(chǎng)包絡(luò);β″0為二階群速度色散;γ為光纖非線(xiàn)性參數(shù)。
當(dāng)β″0<0(負(fù)色散區(qū)),方程具有孤子解,一階孤子解(N=1)為
式中:P0為一階光孤子的峰值功率,P0=|β″0|/γτ2; ks=π/4z0, z0為孤子周期,z0=(π/2)(|β″0|/τ2),τ為脈沖寬度??梢?jiàn),工作于負(fù)色散的鎖模脈沖表現(xiàn)出孤子特性,孤子能量Ep可以通過(guò)時(shí)域積分求得
可見(jiàn),Ep與τ成反比,光孤子脈寬τ越窄,能量越大;而高階孤子比基態(tài)孤子具有更大的面積,因此應(yīng)該具有更大的單脈沖能量。但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中并不會(huì)出現(xiàn)這種情況,因?yàn)榍粌?nèi)高階孤子是不太穩(wěn)定的,高階孤子在腔內(nèi)會(huì)周期性的改變形狀,或發(fā)生分裂,產(chǎn)生低階孤子。又由于孤子邊帶光譜的產(chǎn)生,限制了其脈寬的進(jìn)一步減小;在穩(wěn)態(tài)時(shí),光孤子的峰值功率最終達(dá)到由APM飽和所決定的最大值。由于光纖孤子激光器所產(chǎn)生的孤子能量具有量子化作用,所以當(dāng)泵浦功率增大時(shí),Er3+-Yb3+光纖環(huán)型腔內(nèi)的孤子固有的光脈沖能量并不隨泵浦功率的增加而相應(yīng)地增大,相反會(huì)在腔內(nèi)形成多孤子振蕩。并且由于孤子間的相互作用,相互排斥,最終會(huì)形成高次諧波光脈沖。這說(shuō)明,在一個(gè)光纖環(huán)型腔內(nèi),利用偏振旋轉(zhuǎn)的鎖模結(jié)構(gòu)也可產(chǎn)生高階諧波鎖模光脈沖。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
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