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，最高可達到10-8nm，比現(xiàn)有窄線寬DFB激光器的線寬還要窄兩個數(shù)量級，比目前光通信網(wǎng)絡中DWDM信號光源的線寬要窄5～6個數(shù)量級。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?可達數(shù)百公里。窄線寬光纖激光器可望在超高精和超遠距離激光測距、光纖傳感及光纖通信領(lǐng)域具有極其廣泛的應用前景：????。?）目前大多數(shù)激光測距儀是基于脈沖激

2、光的光時域反射原理，即通過測量激光脈沖發(fā)射和經(jīng)目標反射回接收器的時間差進行測距，這種測量的精度一般為1-10米，測量距離（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，測量精就越高，但同時激光線寬也大大增加，增大了探測的噪聲，迅速降低了動態(tài)探測距離。如果利用單縱模光纖激光器作為探測光源，基于頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)和光波相干原理，則能實現(xiàn)幾百公里、精度小于1米的探測。????。?）對于光纖傳感，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，實現(xiàn)超高精、超遠距離以及微弱信號的測量。如圖1所示，單縱模窄線寬光

3、纖激光的一部分被耦合進一個有固定反射率的參考臂中，該參考臂充當本地振蕩器LO），另一根光纖充當傳感光纖。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)生一個光拍頻，該拍頻與它經(jīng)的時間延遲差相對應，傳感光纖上遠處的信息就可以通過測量拍頻來獲取。利用這種技術(shù)進行探測，可實現(xiàn)敏感-100dB?百億分之一）的信號測量?；趩慰v模窄線寬光纖激光器的光纖傳感技術(shù)，可廣泛應用于石油天然氣管道的泄漏監(jiān)測全球現(xiàn)有500萬公里石油天然氣管道，目前依靠人工巡邏的方式進行監(jiān)測）、電力系統(tǒng)的輸電損耗監(jiān)測（由于當前的高壓線路缺乏精確的

4、溫壓力探測，每年損失電能上千億美元）、核電站的安全監(jiān)測未來（主要能源之一）、油井的溫和壓力實時監(jiān)控等。???　（3）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)的應用大大提高了信息傳輸?shù)男诺罃?shù)，但由于信號光源激光線寬的限制，其在C波段也僅有80信道。為了適應當前和未來社會對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)提高幾個數(shù)量級，此外，該激光器極窄的線寬減小了傳輸過程中光纖的色散，更有利于遠距離傳輸。???　窄線寬光纖激光器巨大的潛在市場和廣闊的應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)達家相繼投入了大量人、財、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，其輸出功率可達幾百毫瓦，是當時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、工大學光通信材料研究主持的市科技攻關(guān)計劃重點項目“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)域有著廣闊的應用需求，外在核心技術(shù)和核心材料方面對我實行禁運，產(chǎn)品進口受到限制，研究研制并建設發(fā)展具有我自主知識產(chǎn)權(quán)的單縱模、窄線寬光纖激光器及設備生產(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、工作物質(zhì)的增益線寬和激勵水平等因素所決定。因為只有處于增益線寬內(nèi)的那些縱模頻率才有可能真正起振，形成多縱模振蕩。假設由增益線寬和激勵水平（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現(xiàn)：一是設法壓縮激光器的增益帶寬Δv；二是設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，重復頻率為5kHz，脈沖能量為pJ量級。采用長腔可以獲得多縱模激光輸出，從而實現(xiàn)更廣泛的應用。在超輻射情況下,多縱模光抽運D_2O與單縱模光抽運相比,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D_2O的亞毫米波激光譜線都進一步展寬,在頻譜曲線上均呈現(xiàn)與多縱模結(jié)構(gòu)對應的多個尖峰。光抽運亞毫米波(S