激光縱模技術(shù) 單縱模 多縱模.doc

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1、一、單縱模在光纖激光器中，具有極窄輸出線寬的單頻光纖激光器是激光器發(fā)展的重要方向之一。單縱模窄線寬光纖激光器是指激光以腔內(nèi)振動(dòng)單一縱模的形式輸出，其特征是激光光譜線寬非常狹窄，最高可達(dá)到10-8nm，比現(xiàn)有窄線寬DFB激光器的線寬還要窄兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比目前光通信網(wǎng)絡(luò)中DWDM信號(hào)光源的線寬要窄5～6個(gè)數(shù)量級(jí)。窄線寬單縱模光纖激光器可以保證激光具有極好的相干特性，其相干?可達(dá)數(shù)百公里。窄線寬光纖激光器可望在超高精和超遠(yuǎn)距離激光測(cè)距、光纖傳感及光纖通信領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景：????。?）目前大多數(shù)激光測(cè)距儀是基于脈沖激

2、光的光時(shí)域反射原理，即通過測(cè)量激光脈沖發(fā)射和經(jīng)目標(biāo)反射回接收器的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)距，這種測(cè)量的精度一般為1-10米，測(cè)量距離（軍用）僅有10-20公里。這主要受限于激光的脈沖寬，激光脈沖越短，測(cè)量精就越高，但同時(shí)激光線寬也大大增加，增大了探測(cè)的噪聲，迅速降低了動(dòng)態(tài)探測(cè)距離。如果利用單縱模光纖激光器作為探測(cè)光源，基于頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)和光波相干原理，則能實(shí)現(xiàn)幾百公里、精度小于1米的探測(cè)。???　（2）對(duì)于光纖傳感，同樣可以利用頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)和光波相干原理，實(shí)現(xiàn)超高精、超遠(yuǎn)距離以及微弱信號(hào)的測(cè)量。如圖1所示，單縱模窄線寬光

3、纖激光的一部分被耦合進(jìn)一個(gè)有固定反射率的參考臂中，該參考臂充當(dāng)本地振蕩器LO），另一根光纖充當(dāng)傳感光纖。從傳感光纖反射回來的激光與來自本地振蕩器的參考光一起混頻產(chǎn)生一個(gè)光拍頻，該拍頻與它經(jīng)的時(shí)間延遲差相對(duì)應(yīng)，傳感光纖上遠(yuǎn)處的信息就可以通過測(cè)量拍頻來獲取。利用這種技術(shù)進(jìn)行探測(cè)，可實(shí)現(xiàn)敏感-100dB?百億分之一）的信號(hào)測(cè)量。基于單縱模窄線寬光纖激光器的光纖傳感技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于石油天然氣管道的泄漏監(jiān)測(cè)全球現(xiàn)有500萬(wàn)公里石油天然氣管道，目前依靠人工巡邏的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)）、電力系統(tǒng)的輸電損耗監(jiān)測(cè)（由于當(dāng)前的高壓線路缺乏精確的

4、溫壓力探測(cè)，每年損失電能上千億美元）、核電站的安全監(jiān)測(cè)未來（主要能源之一）、油井的溫和壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控等。????。?）另外，在光纖通信中，目前商用光源的激光線寬為0.2nm（20dB），盡管DWDM技術(shù)的應(yīng)用大大提高了信息傳輸?shù)男诺罃?shù)，但由于信號(hào)光源激光線寬的限制，其在C波段也僅有80信道。為了適應(yīng)當(dāng)前和未來社會(huì)對(duì)于海量信息傳輸和處理的要求，需要不斷拓展光纖的帶寬（如，當(dāng)前世界各正在研究的超寬帶（S+C+L）光傳輸技術(shù)）。利用單縱模窄線寬光纖激光器作為通信光源，為我們解決該問題提供了另一種技術(shù)途徑。單縱模窄線寬光纖激光的

5、線寬僅為目前商用通信光源線寬的十萬(wàn)分之一，這可以大大減少信道的寬和信道之間的間距，僅在C波段就可以將光纖通信的信道數(shù)提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，此外，該激光器極窄的線寬減小了傳輸過程中光纖的色散，更有利于遠(yuǎn)距離傳輸。???　窄線寬光纖激光器巨大的潛在市場(chǎng)和廣闊的應(yīng)用前景引起了世界各的廣泛關(guān)注，美、英、丹麥、加拿大、澳大利亞、德等西方發(fā)達(dá)家相繼投入了大量人、財(cái)、物力開展了大量研究工作。2005年，美某一公司推出了基于新光纖材料的窄線寬光纖激光器，其輸出功率可達(dá)幾百毫瓦，是當(dāng)時(shí)最好的窄線寬光纖激光器輸出功率的上百倍。2008年，華南理

6、工大學(xué)光通信材料研究主持的市科技攻關(guān)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“單縱模光纖激光器的研制”取得重要突破，成功研制出輸出功率大于230mW、輸出線寬小于2kHz的單頻窄線寬光纖激光器，該研究成果的關(guān)鍵技術(shù)被劉頌豪院士為組的鑒定專家組鑒定為際領(lǐng)先水平。由于高性能單縱模窄線寬光纖激光器在軍事等敏感領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用需求，外在核心技術(shù)和核心材料方面對(duì)我實(shí)行禁運(yùn)，產(chǎn)品進(jìn)口受到限制，研究研制并建設(shè)發(fā)展具有我自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單縱模、窄線寬光纖激光器及設(shè)備生產(chǎn)線具有極其重要的意義。一、多縱模為了獲得更好的單色性和相干性的激光束，要求激光以單頻振蕩，在一

7、般情況下，多橫模激光器是一個(gè)多頻激光器，而多縱模激光器的頻率間隔則更大。激光器的振蕩縱橫數(shù)目，由腔長(zhǎng)、工作物質(zhì)的增益線寬和激勵(lì)水平等因素所決定。因?yàn)橹挥刑幱谠鲆婢€寬內(nèi)的那些縱模頻率才有可能真正起振，形成多縱模振蕩。假設(shè)由增益線寬和激勵(lì)水平（閾值）所決定的激光振蕩的大致頻率范圍為Δv，腔所允許的相鄰兩振蕩的縱模頻率間隔為δv，則實(shí)際起振的縱模數(shù)目為Δv/δv。有此可見，減少振蕩縱模數(shù)（即選縱模）可通過兩條途徑來實(shí)現(xiàn)：一是設(shè)法壓縮激光器的增益帶寬Δv；二是設(shè)法增大相鄰兩振蕩縱模之間的頻率間隔δv。輸出激光的調(diào)諧范圍為608

8、~628nm，重復(fù)頻率為5kHz，脈沖能量為pJ量級(jí)。采用長(zhǎng)腔可以獲得多縱模激光輸出，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。在超輻射情況下,多縱模光抽運(yùn)D_2O與單縱模光抽運(yùn)相比,前者的亞毫米波激光譜線較寬;在腔式的情況下,單縱模和多縱模光抽運(yùn)D_2O的亞毫米波激光譜線都進(jìn)一步展寬,在頻譜曲線上均呈現(xiàn)與多縱模結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的多個(gè)尖峰。光抽運(yùn)亞毫米波(S