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窄线宽光纤激光器

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所谓窄线宽激光器,就是经由过程可调滤波器、F-B滤波器、Bragg光栅等波长选择器对增益谱内起振的纵模数停止限定,只让知足特定前提的少数几个纵模,以至只要一个纵模发作激光振荡。窄线宽光纤激光器的输出光具有极高的工夫相干性和极低的相位噪声,使得其正在高分辨干涉仪、相关通讯、光纤传感和激光雷达等范畴具有主要的运用。

窄线宽光纤激光器的近况

  • 窄线宽光纤激光器的中心问题是实现激光器的单纵模运转和抑止多纵模振荡和跳模征象。现在实现光纤激光器窄线宽的体式格局重要有:运用短直腔、运用复合腔、运用饱和吸收体、运用超窄通带滤波器等。美国NP Photonics公司的Spiegelberg等应用短直腔的要领,应用一根数厘米少的Er3+/Yb3+共掺玻璃光纤作为增益介质,取一对Bragg光栅组成光纤激光器,实现了1550 nm处、线宽小于2 kHz的窄线宽激光输出。近来,华南理工大学杨中民传授课题组一样应用短直腔的要领,正在一根2 cm少的Er3+/Yb3+共掺单模磷酸盐玻璃光纤作为增益介质的光纤激光器中实现了线宽小于2 kHz的窄线宽激光输出,其输出功率到达300 mW。

窄线宽光纤激光器研讨剖析

  • 单纵模窄线宽光纤激光器是指激光以腔内振动单一纵模的情势输出,其特性是激光光谱线宽异常狭小,最高可到达10-8 nm,比现有窄线宽DFB 激光器的线宽还要窄两个数量级,比现在光通信网络中DWDM旌旗灯号光源的线宽要窄5~6个数量级。

    光纤激光器因为抽运阈值功率低、转换效力下、散热好、可调谐局限宽、耦合效力下(取现有光纤通信体系和光纤传感体系完整兼容)、构造松散等长处,成为当前激光范畴研讨的核心。凭据美 着名激光行业期刊《 LaserFocusWorld》的展望,光纤激光器的需求将按每一年20%以上的速 递增,到2020年光纤激光器将占全部激光器市场份额的50%以上。据统计,2008年全球激光产物的销售额曾经打破100 亿美圆,估计将来5 年有几百亿以至上千亿美圆的光纤激光产物的市场实际需求及难以预计的市场需求潜力。光纤激光器正在经济建设和防军事生长等方面将逐渐占有主导职位。

    正在光纤激光器中,具有极窄输出线宽的单频光纤激光器是激光器生长的主要偏向之一。单纵模窄线宽光纤激光器是指激光以腔内振动单一纵模的情势输出,其特性是激光光谱线宽异常狭小,最高可到达10-8 nm,比现有窄线宽DFB 激光器的线宽还要窄两个数量级,比现在光通信网络中DWDM旌旗灯号光源的线宽要窄5~6个数量级。窄线宽单纵模光纤激光器能够包管激光具有极好的相关特性,其相关  可达数百千米。

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  • 窄线宽光纤激光器,由阁下两头由窄带光栅供应谐振反应,中央的特种光纤供应光的放大,正在内部LD的泵浦下,引发出窄带激光。因为特种光纤具有极高的增益,以是正在确保充足下的功率输出的同时(10-200mW),因为取两光栅间构成的谐振器长度极短(1厘米),以是从物理构造上便决意了输出激光是一个绝对单纵模的、窄线宽的光束,而无需选频、稳频,也不会跳模,那和许多半导体激光器的道理是根本上的差别(后者需求许多稳频手腕)。

    一样平常的激光器相干性很差,相关间隔一样平常只要几个微米至厘米。由于一般的激光器光谱线广大多是几个纳米,而窄线宽光纤激光器的线宽是他们的百万分之一。以是相对来讲,窄线宽光纤激光器的相干性是一般激光器的100万倍,一样它的相关间隔是后者的100万倍。窄线宽光纤激光器的一个最大亮点,是它打破了我们对的相关长度的固有头脑级别。窄线宽光纤激光器,能够很容易的实现100千米,以至200千米的相关长度。

    窄线宽光纤激光器,另一个最大亮点是能够实现线性频次调制。正在激光谐振腔上面增添一个PZT电路,正在内部正弦波长电压的驱动下,会动员PZT对谐振腔的长度停止线性拉伸,从而实现激光输出频次的改动。那正在基于FMCW道理和PGC解调种种体系中有着十分重要的运用。PZT调制的一个上风,就是能够实现快速的调制,一样平常能够到达20Khz以至更高,那取决于PZT器件的机能。别的,窄线宽光纤激光器的调频,不同于半导体激光器的道理,它不会泛起后者“伴生调幅”征象带来的输出功率的颠簸,那正在许多运用中无疑是至关重要的。

    最初,窄线宽光纤激光器也是世界上“最平静”的激光器之一,它的相位噪声和强度噪声皆到达了-110db程度以下。再经由过程内部反应电路的掌握,能够实现对激光腔内部的弛豫振动停止抑止,从而实现光纤传感中最平静的光源之一。

窄线宽光纤激光器运用远景

  • 窄线宽光纤激光器可望正在超高粗和超远距离激光测距、光纤传感及光纤通信范畴具有极为普遍的运用远景:

    (1)现在大多数激光测距仪是基于脉冲激光的光时域反射道理,即经由过程丈量激光脉冲发射和经目的反射回接收器的时间差停止测距,这类丈量的精度一样平常为1-10 米,丈量间隔(军用)唯一10-20 千米。那重要受限于激光的脉冲宽 ,激光脉冲越短,丈量粗 就越下,但同时激光线宽也大大增添,增大了探测的噪声,敏捷低落了静态探测间隔。若是应用单纵模光纤激光器作为探测光源,基于频次调制一连波手艺和光波相关道理,则能实现几百千米、精度小于1米的探测。

    (2)关于光纤传感,一样能够应用频次调制一连波手艺和光波相关道理,实现超高粗 、超远距离和微小旌旗灯号的丈量。如图1所示,单纵模窄线宽光纤激光的一部分被耦合进一个有流动反射率的参考臂中,该参考臂充任当地振荡器 LO),另外一根光纤充任传感光纤。从传感光纤反射返来的激光取来自当地振荡器的参考光一同混频发生一个光拍频,该拍频取它经的工夫提早差相对应,传感光纤上远处的信息便能够经由过程丈量拍频去获得。应用这类手艺停止探测,可实现敏感 -100dB  百亿分之一)的旌旗灯号丈量。基于单纵模窄线宽光纤激光器的光纤传感手艺,可普遍应用于石油天然气管道的走漏监测 环球现有500 万千米石油天然气管道,现在依托野生巡查的体式格局停止监测)、电力系统的输电消耗监测(因为当前的高压线路缺少准确的温压力探测,每一年丧失电能上千亿美圆)、核电站的平安监测 将来(重要能源之一)、油井的温 和压力及时监控等。

    (3)别的,正在光纤通信中,现在商用光源的激光线宽为0.2 nm (20 dB),只管DWDM 手艺的运用大大进步了信息传输的信道数,但因为旌旗灯号光源激光线宽的限定,其正在C波段也唯一80 信道。为了顺应当前和将来社会关于海量信息传输和处置惩罚的要求,需求络续拓展光纤的带宽(如,当前天下各 正在研讨的超宽带(S+C+L)光传输手艺)。应用单纵模窄线宽光纤激光器作为通讯光源,为我们处理该题目供应了另一种手艺路子。单纵模窄线宽光纤激光的线宽仅为现在商用通讯光源线宽的十万分之一,那能够大大削减信道的宽和信道之间的间距,仅正在C波段便能够将光纤通信的信道数进步几个数量级,另外,该激光器极窄的线宽减小了传输历程中光纤的色散,更有利于远距离传输。

    窄线宽光纤激光器伟大的潜伏市场和辽阔的运用远景引发了天下各 的普遍存眷,美 、英 、丹麦、加拿大、澳大利亚、德 等西方兴旺 家接踵投入了大量人、财、物力展开了大量研究工作。2005 年,美 某一公司推出了基于新光纤质料的窄线宽光纤激光器,其输出功率可达几百毫瓦,是事先最好的窄线宽光纤激光器输出功率的上百倍。2008 年,华南理工大学光通信质料研讨主持的市科技攻关企图重点项目“单纵模光纤激光器的研制”获得主要打破,胜利研制出输出功率大于230 mW、输出线宽小于2 kHz 的单频窄线宽光纤激光 器,该研究成果的关键技术被刘颂豪院士为组的审定专家组审定为 际抢先程度。因为下机能单纵模窄线宽光纤激光器正在军事等敏感范畴有着辽阔的运用需求, 外在核心技术和中心质料方面临我执行禁运,产物入口遭到限定,研讨研制并建立生长具有我自主知识产权的单纵模、窄线宽光纤激光器及装备生产线具有极为主要的意义。

窄线宽光纤激光器重要应用领域

  • 1、石油管道预警系统:应用取管道同沟敷设的通讯光缆作为分布式泥土振动检测传感器,长距离一连及时监测油气管道沿线的泥土振动状况,正在管道沿线4米范围内构成珍爱带,接纳体系独占的管道损坏事宜专家数据库和神经网络分析辨认手艺,对能够风险管道平安的动土事宜(如:机器施工和打孔匪油等损坏事宜)或场站设备的入侵事宜停止预警,并正确定位。

    2、光纤周界预警:应用激光、光纤传感和光通信等高科技手艺构建的戒备网络大概平安报警体系,是一种对要挟民众平安的突发事件停止监控和警报的当代防备系统。那既反应了当代反恐斗争的需求,也知足了我国现阶段对周界报警的需求。特别正在大型场合如军事禁区、核基地、机场等等,皆需求这类很先辈的防入侵报警体系。

    3、声学传感、水听器:过问型光纤火声光纤传感器阵列正在水下军事运用、鱼群探测和保密监听等方面有很大的运用远景,并以极高的灵敏度、抗电磁滋扰、无源检测等优越性而引发了世界各国的高度正视,为下一代水听器的研讨开辟和运用的重要偏向之一。

    4、激光雷达、测距、遥感:基于FMCW和多普勒频移,能够实现激光一连波的测距和雷达,其超长的相关间隔供应了长距离的遥感计划。

    5、相关光通信:窄线宽光纤激光的线宽仅为现在商用通讯光源线宽的百万分之一,那大大削减信道的宽度和信道之间的间距,仅正在C波段便能够将光纤通信的信道数进步几个数量级,另外,窄线宽激光极窄的线宽减小了传输历程中光纤的色散,更有利于远距离传输。

    6、激光光谱学、大气吸取丈量:能够用来研讨谱线的邃密和超邃密破裂、塞曼和斯塔克破裂、光位移、碰撞加宽、碰撞位移等效应。借能够应用激光观察到风趣的相关瞬变现象等等。

    7、激光种子源:能够耦合进光纤放大器,构成更大输出功率的单频激光器如1W或5W而不会改变种源的光学特性。

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