窄线宽单频光纤激光器噪声及应用研究

论文摘要

窄线宽单频光纤激光器因其结构紧凑、频率噪声低、易于选择制作波长等优势,在原子光谱探测、干涉传感测量以及高功率激光相干合成等领域有重要应用。而光纤激光器噪声直接影响应用系统的性能指标,尤其是其频率噪声在相干探测应用中决定了其系统的探测灵敏度与探测距离。本论文围绕窄线宽单频光纤激光器的频率噪声及其应用展开研究。首先开展了宽频带激光频率噪声测量研究工作,然后通过实验建立的宽频带激光频率噪声测量系统对磷酸盐分布布拉格反射（DBR）光纤激光器频率噪声特性进行研究,随后在低频段和弛豫振荡峰频段对其频率噪声的抑制技术开展研究,最后在相干探测系统中研究激光器频率噪声的影响,取得的主要研究成果如下:1)提出了基于LiNbO3高速相位调制器的非平衡干涉仪测量激光器频率噪声谱的方法,与商用频率噪声测试系统相比（Optiphase OPD-4000）,将测量带宽提升了2个数量级,为弛豫振荡峰频率噪声分析提供了有效测量手段。理论分析了调制频率、探测器带宽和采样率对频率噪声测量带宽的影响,建立了一套宽频带频率噪声测试系统,将测量带宽从25 kHz提升到2.5 MHz,且实现了频率噪声测量本底达到:33.9 Hz2/Hz@10 Hz,1.4 Hz2/Hz@1 kHz,0.3 Hz2/Hz@10 kHz,0.2 Hz2/Hz@1 MHz。2)提出了一种提高宽频带频率噪声测量准确性的方法:先基于半导体光放大器（SOA）饱和效应抑制强度噪声,以减小其与频率噪声的耦合效应,实现宽频带激光频率噪声的高精度测量。在实验中将光纤激光器弛豫振荡峰处相对强度噪声抑制至-155dB/Hz后,实现了弛豫振荡峰处频率噪声测量从强度噪声抑制前64 Hz2/Hz提升到抑制后31 Hz2/Hz,精度提升一倍。3)首次提出了一种基于自注入锁定的激光器线宽kHz量级精确调控技术。通过自注入锁定主动控制注入到单频光纤激光腔中高斯白噪声的带宽和强度,实现了激光器线宽从2.5 kHz压窄至0.8 kHz和展宽至353 kHz的有效控制。并定义了线宽抑制比（LCR）,揭示了注入高斯白噪声的截止频率和幅度对线宽控制的影响规律:在相同的噪声带宽下,LCR随注入噪声幅度线性增加;在相同的高斯白噪声幅度下,LCR随高斯白噪声带宽增加,变化逐渐趋于平缓,存在饱和效应。4)提出了自注入锁定抑制频率噪声以提高激光相干多普勒测速系统的信噪比方法,解决了弛豫振荡噪声引起的测速信号无法提取的问题。实验验证了该方法可实现在长距离（10 km）弱信号探测中对抑制前淹没在弛豫振荡噪声中的速度信号的有效提取,弛豫振荡峰处信噪比提升了29 dB。将整体测速信噪比从抑制前的11 dB提高至抑制后的15 dB,提升了4 dB。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 窄线宽单频光纤激光器概述
•     1.2.1 窄线宽单频光纤激光器实现机理
•     1.2.2 窄线宽单频光纤激光器主要技术方案
•     1.2.3 激光器噪声定义及测试方法
•   1.3 激光器噪声抑制方案及研究进展
•     1.3.1 激光器强度噪声抑制方案及研究进展
•     1.3.2 激光器频率噪声抑制方案及研究进展
•   1.4 本课题的研究目的及意义
•   1.5 本课题的主要任务和工作
• 第二章 宽频带激光频率噪声测量研究
•   2.1 宽频带激光频率噪声测量设计与分析
•     2.1.1 基于非平衡干涉仪测量频率噪声原理
•     2.1.2 宽频带频率噪声测量模拟分析与设计
•   2.2 宽频带激光频率噪声测量实验
• 3 调制非平衡干涉仪宽频带频率噪声测量实验装置'>    2.2.1 基于LiNbO₃调制非平衡干涉仪宽频带频率噪声测量实验装置
•     2.2.2 实验测量结果及讨论
•   2.3 本章小结
• 第三章 磷酸盐DBR光纤激光器的频率噪声特性研究
•   3.1 磷酸盐DBR光纤激光器的频率噪声测试与分析
•     3.1.1 磷酸盐DBR光纤激光器频率噪声测试实验
•     3.1.2 测量结果分析与讨论
•   3.2 激光强度噪声对频率噪声的影响研究
•     3.2.1 腔内强度噪声抑制对频率噪声的影响实验及分析
•     3.2.2 腔外强度噪声抑制对频率噪声的影响实验及分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 磷酸盐DBR光纤激光器的频率噪声抑制研究
•   4.1 DBR光纤激光器的低频段频率噪声抑制研究
•     4.1.1 DBR光纤激光器低频频率噪声抑制实验装置
•     4.1.2 实验结果分析与讨论
•   4.2 DBR光纤激光器的弛豫振荡频率噪声抑制研究
•     4.2.1 自注入锁定抑制DBR光纤激光器弛豫振荡频率噪声研究
•     4.2.2 自注入锁定展宽DBR光纤激光器线宽实验研究
•   4.3 本章小结
• 第五章 频率噪声在相干探测应用中的研究
•   5.1 在Phase-OTDR相干探测中频率噪声的影响研究
•     5.1.1 Phase-OTDR中探测信噪比与激光线宽的关系分析
•     5.1.2 Phase-OTDR中探测信噪比与激光线宽的关系实验及讨论
•   5.2 在激光相干多普勒测速中频率噪声的影响研究
•     5.2.1 相干多普勒测速中激光器频率噪声的影响分析
•     5.2.2 相干多普勒测速中激光频率噪声的影响实验及讨论
•   5.3 本章小结
• 结论与展望
•   结论
•   展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 答辩委员会对论文的评语

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周开军

导师: 杨中民,徐善辉

关键词: 单频光纤激光器,频率噪声,强度噪声,噪声抑制

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华南理工大学

分类号: TN248

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.004199

总页数: 121

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