窄线宽环形腔光纤激光器自混合测速系统研究
一种新型窄线宽掺铒光纤激光器
一种新型窄线宽掺铒光纤激光器赵冉冉;何巍;祝连庆【摘要】为了实现稳定的窄线宽激光输出，设计了一种基于有源光纤环形滤波器的窄线宽掺铒光纤激光器，对其系统原理和实验分析进行了讨论。
在环形腔中熔接一支分光比为50∶50的2×2熔融拉锥型耦合器，并且通过在该耦合器另外两端熔接一段长2 m 的有源光纤，构成有源光纤环形滤波器，实现压窄线宽的目的。
实验结果表明，在熔接环形滤波器后，输出激光边模得到明显抑制；在0～400 MHz 频谱范围内，激光工作在单纵模运转状态；输出激光的3 dB线宽为3.4 kHz。
%In order to achieve stable narrow line-width laser output,a narrow line-width erbium-doped fiber laser based on active fiber ring filter is designed,and its system theory and experimental analysis are discussed.The active fiber ring filter consists of a 50∶50 2 ×2 fused taper coupler and a 2 m erbium-doped fiber,and is capable of filtering out redundant longitudinal modes within the comb spectrum property of the system,so as to achieve the goal of narrowing the line-width.The experimental results show that,after incorporating the ring filter through fusion splicing,the side modes of the laser output are significantly suppressed.Specifically in the 0 ~400 MHz range,the laser works in a sin-gle longitudinal mode operation state,and the 3 dB line width of laser output is 3.4 kHz.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】4页(P492-495)【关键词】激光器;窄线宽;光纤光栅;滤波器【作者】赵冉冉;何巍;祝连庆【作者单位】北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心，光电测试技术北京市重点实验室，北京 100192;北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心，光电测试技术北京市重点实验室，北京 100192; 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥 230009;北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心，光电测试技术北京市重点实验室，北京 100192【正文语种】中文【中图分类】TN248.11 引言单纵模窄线宽光纤激光器因其线宽千赫兹量级的长相干长度光源，在密集波分复用系统、通信系统、分布式光纤传感器等方面有重要的应用价值［1－4］。
窄线宽光纤激光器关键技术研究_高雪松
激 光 与 红 外 N o . 6 2006 高雪松 高春清 宋学勇等 窄线宽光纤激光器关键技术研 究
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率为 12 . 34mW , 斜率效率为 11 . 2%。 其中理论模型 数值计算的结果比实验结果稍微偏大 , 这主要是由 于实验过程中附加损耗引起的 。
图 7 LD 输出激光功率与输入电流关系曲线 Fig. 7 pu m p ing ou tpu t pow er versu s input cu rren t
442
激 光 与 红 外 第 36 卷
2 . 2 环形腔结构 利用光纤定向耦合器构成各种环形行波腔结构 消除空间烧孔 。 常见结构有环形谐振腔 、Sagnac 环 形镜 、复合腔等 。 如图 2(a) 所示 , 连接耦合器 1、2 两臂构成环形 谐振腔 , 耦合器相当于反射镜 , 腔的精细度与耦合器 分束比有关 。 光波在腔内转一周后相位不变即得到 放大 。 连接将耦合器 2、4 两端构成 Sagnac 环 , 当耦合 器分束比在 0 . 5 附近时 , 其等效于一个 100%反射 器 , 泵浦光从一个端口输 入 , 沿两个 方向在环内传 播 , 又从同一个端口返回 , 又称为光纤环形镜 。 在 Sagnac 环中加入增益光纤和隔离器 , 使环中光波沿 单方向行 进 , 能 有效消 除空间 烧孔 , 如 图 2 (b ) 所 [ 1] 示 。 这种带隔离器的 Sagnac 结构等同于一个环 形器 。
图 2 环形结构 Fig. 2 circular cavity
2 . 3 布拉格光栅法 3+ 如图 3 所示 , Ba ll等人首次在 50cm 长的掺 Er 光纤两端 , 加上 1 . 25c m 长 、具有相同 布拉格波长 、 反射比 分别 为 72% 和 80%两 个 布拉 格 光 栅 , 用 980nmLD 泵浦得到与布拉格波长一致的 1548nm 单 [ 3] 频输出 , 线宽为 47kH z 。 理论分析得出提高反射 器的反射比可使主振荡模损耗最小 , 有效抑制跳模 的结论 。 在短腔结构光纤激光器中 , 如果腔长 5cm , 其小信号增益系数为 3dB / m , 要实现单频输出就需 要反射比为 98% 以上的布拉格光栅 。
环形腔高掺Er 3+窄线宽光纤激光器实验研究
６ ０ ５ Ｃｈｎ ） １ ０ ４， ｉａ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｎ ｒ ｗ — ｉ ｔ ｉ ｒ ｒｎ ａ ｅｒｗ ｉｈ ｆｅｑ ｅｎ ｙ ｓ ｅ ｔｎ ｙ ｆｂｅｒＢｒ ｇｇ ｇｒ ｔ ｔａ ｔ Ａ ａｒｏ ｌ ｉ ｗ ｄ ｈ ｆｂｅ ｉ ｇ ｌｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｅｌｃ ｉｇ ｂ ｉ ａ ａ — ｎｅ ｉｇ（ ｎ ＦＢＧ ） ｓ ｏｒ ｉｅ ａ ｔ ｓ ｅ ｒｅ Ｉ ｒ ｏｎ ｔｃ ｖｉ ｉ ａｎ ｕａｒａｎ ｏｍ ｐ ｅｄ ｙ ｈ ｔｌ ａｒ ｃ ｖｉ ｉ ｒ ｐｏ ｔ ｄ．ｔ ｅｓ ａｎ ａ ｔ ｓ ｎ ｙ ｓ ｙ ｎ ｌ ｄｃ ｏｓ ｂ
１ 引 言
目前 ， 窄线 宽光 纤 激 光 器 已实 现 单模 输 出 ， 宽 线
可 达 ２ｋ Ｈｚ以 下 ， 率 超 过 ２ ０ｍＷ 。 通 过 控 制 腔 内 功 ０ 相 遇 光 波 的 偏 振 状 态 消 除 驻 波 效 应 引 起 的 空 间 烧 孔
的稳定 性和 环境 适 应 性 。窄 线 宽 光 纤 激 光 器 的 腔 形
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌ ｔ ｄ ｆＨｉｈ ＥＰ＋ Ｄｏ ｅ ｒ ｏ ｉ ｅｗｉ ｔ ｉ ｅ ｎ ｓｒ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｕ ｙ ｏ ｇ Ｓ ｐ ｄ Ｎａ ｒ ｗ Ｌ ｎ — ｄ ｈ Ｆ ｂ ｒＲｉ ｇＬａ ｅ
Ｗ Ｕ Ｂｏ 。ＩＩ Ｙｏ ｇ ｚ ｉ Ｕ ｎ — ｈ ．ＤＡＩＺ ｉ ｏ ｇ ｈ— ｎ ｙ
（ ｃ ｏ ｌ ｏ ｔ Ｅ ｅ ｔ ｏ ｉ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｎ ｏ Ｕｎｖ ｒ ｉｙ ｆ Ｅｌ ｃ ｒ ｎ ｃ ｃｅ ｃ ｎ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｃｈ ｎ ｄ Ｓ ｈ ｏ ｆ Ｏｐ — ｌ ｃ ｒ ｎ ｃ Ｉ ｆ ｒ ｔ ｆ ｏ ｉ ｅ ｓｔ ｏ ｅ ｔｏ ｉ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ ｃ ｎ ｌｇ ， ｅ ｇ ｕ
高效率窄线宽光纤激光器
半 导 体 光 纤 激 光 器。 掺 Ｅ３ ｆ 单 模 光 纤 作 为 增 益 介 质 ，
于实现 、 体积小 等优点 。
２ 环 形 腔掺 铒 光纤 激 光器 实 验装 置
如图 １ 所示 ， 环形 腔是 由波分 复用器 （ ＷＤＭ）掺 Ｅ３ 、 ｒ 光
纤（ Ｆ 、 Ⅱ） ） 隔离器 （９ 、 ＩＯ）耦合 器（ ｏ ｐ ｒ 以及与 耦合 器 一端 Ｃ ｕｌ ） ｅ
相连的 光 纤 光 栅 （ Ｂ 构 成 的 ， Ｂ 浸 入 折 射 率 匹 配 液 Ｆ Ｇ） ＦＧ （ＭＧ）它 的作 用是吸收 Ｆ Ｇ 的透射 光 ， 少端 面反射 。 Ｉ ， Ｂ 减 实验 中泵 浦 源采 用 功率 可 达 １ ２ ０ ｍＷ 的 ９ ０ ｍ 带 尾 纤 ８ｎ
光器只能在很 窄 的波 长范 围可 获 得增 益 。隔离 器使 光在 环 路 中只能 沿逆时针方 向传播 ， 传播一周 后获 得适 当的增益 再 近年来 ， 由于新 的 激光 泵 浦技术 的发 展 ， 以及 光纤 光 栅 等元 器件 的问世 ， 促进 了光纤 激光技术 研究 的发 展 。光 纤激 光 器具有 阈值 低 ， 浦效率和 内量子 效率高 ， 光光 谱宽 ， 泵 荧 可 次到达 Ｆ Ｇ， 而实现环 路振 荡 ， 所获 得 的增益 大 于腔 内 Ｂ 从 当 的损耗时 ， 耦合 器的输 出端 得到波长 为 的激光输 出。 当泵浦 电流 为 １０ １ ｍＡ（ 光 器 输 出功 率 为 １ ． ９ ｗ ） 激 ２ ２ｒ ｏ 时， 用光 谱仪观测 到输 出激 光 的光 谱 图如 图 ２所示 ， 观察 到
的 激 光 输 出 的 线 宽 小 于 ０ １ ｍ。 ．ｎ
调参数多 ， 调谐范 围宽 以及 易 与其 它光 纤设 备 兼 容 ， 是一 种
超窄激光线宽测量的光外差混频测谱法
超窄激光线宽测量的光外差混频测谱法邱硕丰;刘毅;刘波;张瑞;钱彧哲;吕家琪【摘要】Lasers are widely applied in such areas as ranging and sensing for good monochromaticity and energy concentration and linewidth is an important index for measuring laser monochromaticity.Therefore,it is of great significance to investigate the methods for measuring narrow linewidth.This paper systematically introduces several heterodyne-based methods for line-width measurement and conducts the relevant experiments and comparative analysis.The results show that Michelson interfer-ometer with Faraday rotator mirror is an ideal method for measuring narrow laser linewidth.%激光以其单色性好、能量集中等优点在测距、传感等领域获得了极为广泛的应用，而线宽是衡量激光单色性的重要指标，因此对窄线宽激光线宽测量的研究具有非常重要的意义。
文章较为系统地介绍了几种基于相干光的拍频信号测量窄线宽激光线宽的方法，并对其进行了实验研究和对比分析。
结果表明，采用带法拉第旋镜的迈克尔逊干涉仪结构是一种非常理想的窄激光线宽测量方法。
【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】4页(P54-57)【关键词】线宽测量;马赫-曾德干涉仪;迈克尔逊干涉仪;光纤环行腔【作者】邱硕丰;刘毅;刘波;张瑞;钱彧哲;吕家琪【作者单位】南开大学电子信息与光学工程学院，天津 300071;南开大学电子信息与光学工程学院，天津 300071;南开大学电子信息与光学工程学院，天津300071;南开大学电子信息与光学工程学院，天津 300071;南开大学电子信息与光学工程学院，天津 300071;南开大学电子信息与光学工程学院，天津 300071【正文语种】中文【中图分类】TN2480 引言激光是一种通过受激辐射放大得到的光，具有单色性好、方向性好、相干性好和亮度高等优点。
窄线宽光纤激光器研究俞本立
激光二极管抽运的全固化单频固体激光器强度噪声在几个 kHz 到几个MHz 频率之间也存在弛豫振荡噪声，可以通过 光电负反馈的方法解决。
将此借鉴到光纤激光器中
OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室
低噪声窄线宽光纤激光器结构
1、通过对光纤激光器光路的 改进,得到了光谱信噪比较高 的单频窄线宽激光输出;
输出激光单频特性测量
图3
图4
图3和图4分别为激光的主模及第一边模，可以看出边模抑制 比达50dB，因此证明该激光为很好单频激光
OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室
低噪声窄线宽光纤激光器
研究背景
窄线宽光纤激光器的输出激光包含着明显的弛豫振荡峰,这使 得光纤激光器的低频范围内强度噪声较为明显,光纤激光器在 光传感和光通信领域的广泛应用迫切要求降低光纤激光器的 低频强度噪声。
OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室
窄线宽光纤激光器的研究进展
2004年
Christine Spiegelberg等人在DBR型 光纤激光器的结构之上，首先利用一段 长度为2cm的铒镱共掺磷酸盐光纤作为 增益介质，实现了线宽小于1kHz ，功 率200mW的激光输出。
丹麦的NKT Photonics公司采用分布反馈 型（DFB）结构制作的窄线宽光纤激光 器实现了线宽小于1kHz，功率200mW 的激光输出
OEIAM 光电信息获取与控制教育部重点实验室
窄线宽光纤激光器的研究进展
2001年
安徽大学采用环形腔结合饱和吸收 体的结构实现了线宽小于1kHz激光 输出，并在此基础上研制出了系列 窄线宽光纤光源
2006年
国防科技大学孟洲采用保偏掺 铒光纤作为饱和吸收体实现了 1.5kHz的线偏振激光输出
窄线宽掺铒光纤激光器的研究与应用
1
南昌航空大学硕士学位论文
第一章 绪论
按工作机制分类 按掺杂元素分类
按输出波长ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ类
按工作方式分类
上转换光纤激光器、下转换光纤激光器 掺铒（Er3＋）、钕（Nd3＋）、铺（Pr3＋）、铥（Tm3＋）、 镱（Yb3＋）等 S 波段(1280～1350nm)、C 波段(1528～1556nm)、L 波段 (1561～1620nm) 脉冲激光器、连续激光器
In the thesis, Based on the character of the L-Band EDF gain at 1550nm, a laser diode(LD)worked at 980nm and acted as the pumping source, a EDF employed as gain medium, and a optic fiber grating used as reflector, a ring-cavity all-fiber laser worked at 1550.376nm was demonstrated. The driving circuit of the laser diode was designed、 the output power had been tested, and is going to improve the stability of the output power of the laser.
学位论文作者签名： 日 期：
导师签名： 日 期：
南昌航空大学硕士学位论文
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 研究的目的与意义
在光纤通信技术中，研究波长精确、性能优良的激光光源是人们关切的课题。 目前光纤通信系统中主要采用半导体激光器作为发射源，其发射过程伴随着有源 区内自由载流子的浓度变化导致啁啾效应，不能满足效率密集波分复用系统的发 展需要[1]。
单频窄线宽光纤激光器研究
高质量种子源光纤激光器技术发展与研究现状连续光种子源光纤激光器的性能决定了高功率全光纤MOPA激光系统的激光输出光谱、线宽和频率稳定性等特性。
作为高质量的种子光源必须首先具有窄线宽、高稳定性和高信噪比，然后再追求可以满足不同应用需要的其他功能特性，如波长可调谐、单/双波长可切换以及双波长间隔可调谐等。
在过去的二十多年时间里，研究者们一直在寻求可以实现单频窄线宽激光输出的方法，也陆续提出了基于不同技术的单频窄线宽光纤激光器，尤其是在1.5μm波段的掺铒光纤激光器，因为其所在波段为光纤通信低损耗窗口，考虑到长距离通信和传感的需求，对于激光输出相干特性要求很高，需要激光具有较窄的线宽，使得掺铒光纤激光器在窄线宽方面发展比较迅速，线宽也达到了kHz量级的水平。
在近几年，研究者们开始对具有不同性能的单频窄线宽光纤激光器进行研究，也开始不断追求输出激光的高稳定性和高信噪比等特性。
1.1单频窄线宽光纤激光器研究与发展早在1986年，Jauncey等人就已经提出了窄线宽的概念，他们使用掺钕光纤结合光纤Bragg光栅在1084nm处得到了激光输出，经过使用Fourier转换Michelson干涉仪测量，得到激光输出线宽为16GHz；然而，由于只是使用了线腔结构，腔长较长，激光器没有实现单频运转。
直到1990年，Iwatsuki才首次真正地得到了单频窄线宽的激光输出，使用的是环形腔结构，配合一个1 nm谱宽带通滤波器，使用15m长掺饵光纤作为增益介质，成功得到了单频激光输出，并且首次使用延迟自外差干涉仪(Delayed Self-Heterodyne Interferometer, DSHI)对激光线宽进行了测量，线宽达到1.4 kHz，是截至当时线宽最窄的激光器，而且该激光器还提供2.8nm的波长可调谐范围。
1991年，Gowle等人提出了一种新型的环行腔光纤激光器，通过使用分布Bragg反射镜作为波长初选滤波器，在1552nm波长处得到了稳定的单频激光输出，使用延迟自外差法测量得到激光线宽小于10 Hz，测量分辨率受限于使用的25km延迟线长度。
窄线宽光纤激光器的应用
窄线宽光纤激光器的应用单频光纤激光器具有线宽超窄、频率可调、相干长度超长以及噪声超低等独特性能，借用微波雷达上的FMCW技术可对超远距离的目标进行超高精度的相干探测，从而会改变市场对光纤传感、激光雷达和激光测距等固有观念，继续把激光器应用革命进行到底。
光库通讯提供的单频光纤激光器拥有世界上独一无二的美国专利技术，可以十分低地成本解决激光光束质量和激光功率的矛盾，从而研制出了该款极具竞争优势的单频可调光纤激光器。
关键词：5cm腔长 FMCW 混频相干探测AFR光纤激光器的特点光库通讯提供的1550nm光纤激光器最大的特点就是线宽超窄至2Khz，频率稳定性好于10Mhz，具有超长相干长度和超低噪声，就是比世界上最好的DFB激光器都高出2个数量级。
该款激光器输出功率可达150mW，边模抑制比高于50dB，热调协范围20Ghz，同时兼备50Mhz/V的线性PZT调制功能。
除了对人眼安全的1550nm激光器外，光库通讯还提供同样性能的1000nm左右的光纤激光器，同时2000nm 的光纤激光器也正在计划之中。
将来，光库通讯还会推出波长覆盖1000-1550nm全光纤化的单频、高功率脉冲光纤激光器。
欢迎您的关注。
核心技术请见图1为我们激光器的结构图，激光器腔由左右两端的光纤光栅和中间极短的有源光纤组成。
该设计方案充分利用了我们美国合作方的专利技术，高浓度、铒/镱离子共掺有源光纤可以确保我们的激光器的腔长度少于5cm，这是传统光纤技术所不可能完成的任务！如此短的腔长极合适超高稳定性和跳模自由的单频激光工作。
该种激光器的线宽典型值为2Khz，而且都是线偏光输出。
结构紧凑和高稳定性能的光纤激光器就可以在如此短的激光腔基础上完成制作。
图1：激光器结构在光纤传感中的应用光库通讯的超窄线宽光纤激光器可以应用于分布式光纤传感系统，对远至10公里的目标进行探测、定位和分类。
它的基本应用原理就是频率调制连续波技术（FMCW），该技术能为核电站，石油/天然气管道，军事基地以及国防边界提供低成本的、全分布式的传感安全保护。
《2024年基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的研究》范文
《基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的研究》篇一一、引言随着光纤技术的不断发展，光纤激光器因其高效率、高稳定性及良好的光束质量等优点，在通信、传感、医疗、军事等领域得到了广泛的应用。
其中，环形腔光纤激光器以其独特的结构特点，如高光束质量、低阈值等优势，成为了研究的热点。
近年来，基于光纤光栅F-P（Fabry-Perot）技术的环形腔光纤激光器因其独特的滤波特性和良好的性能，在光通信和光传感领域具有广阔的应用前景。
本文旨在研究基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的原理、性能及其应用。
二、环形腔光纤激光器的基本原理环形腔光纤激光器主要由增益介质、环形腔、输出耦合器等部分组成。
其基本原理是：泵浦源为增益介质提供能量，使介质内的能级粒子发生跃迁，产生激光。
激光在环形腔内多次往返传播，经过增益介质得到放大，最终通过输出耦合器输出。
三、光纤光栅F-P技术及其在环形腔光纤激光器中的应用光纤光栅F-P技术是一种基于光纤光栅的滤波技术，具有高精度、高稳定性的特点。
在环形腔光纤激光器中，光纤光栅F-P 技术被广泛应用于滤波和选模。
通过合理设计光纤光栅的参数，可以实现对激光波长的精确控制，提高激光器的光谱纯度和稳定性。
此外，光纤光栅F-P技术还可以用于实现激光器的单纵模输出，提高激光器的光束质量。
四、基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的性能研究基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器具有以下优点：高光束质量、低阈值、高稳定性等。
本文通过实验研究了该激光器的性能，包括输出功率、光谱纯度、光束质量等。
实验结果表明，该激光器具有优异的性能，可以满足光通信和光传感等领域的需求。
五、基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的应用研究基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器在光通信和光传感等领域具有广阔的应用前景。
例如，在光通信领域，该激光器可以用于实现高速、大容量的信息传输；在光传感领域，该激光器可以用于实现高灵敏度、高稳定性的传感器。
《2024年度基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的研究》范文
《基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的研究》篇一一、引言随着光纤技术的不断发展，光纤激光器因其高效率、高稳定性及良好的光束质量等优点，在通信、传感、医疗、军事等领域得到了广泛的应用。
其中，环形腔光纤激光器（Ring-Cavity Fiber Laser，RCFL）由于其独特的光路设计和较高的光学质量，已经成为激光器研究领域的热点之一。
在众多RCFL的设计中，结合光纤光栅F-P（Fabry-Perot）技术的环形腔光纤激光器因其高稳定性、高效率及良好的调谐性能，受到了广泛的关注。
本文将针对基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器（F-P RCFL）展开研究。
二、F-P环形腔光纤激光器的工作原理与结构F-P环形腔光纤激光器主要由环形腔、光纤光栅F-P滤波器、泵浦源等部分组成。
其中，环形腔是激光器的核心部分，它由光纤构成闭环结构，形成光学反馈路径。
光纤光栅F-P滤波器则作为调谐元件，可以有效地调节激光器的输出波长和线宽。
泵浦源为激光器提供能量，驱动激光器工作。
当泵浦源发出的光进入环形腔后，经过多次反射和吸收后，在腔内形成激光振荡。
此时，光纤光栅F-P滤波器通过反射和透射特定波长的光，对激光的波长和线宽进行调节。
当激光的波长与滤波器的反射峰相匹配时，激光器输出稳定的激光。
三、基于光纤光栅F-P的环形腔光纤激光器的特性分析1. 高稳定性：光纤光栅F-P滤波器的引入，使得F-P RCFL 具有了更高的稳定性。
在外部环境变化或泵浦源功率波动的情况下，F-P RCFL仍能保持稳定的输出。
2. 高效率：环形腔的设计使得光在腔内多次反射和吸收，提高了光的利用率，从而提高了激光器的效率。
3. 良好的调谐性能：通过调整光纤光栅F-P滤波器的参数，可以方便地实现激光波长和线宽的调节。
此外，还可以通过引入其他光学元件实现更复杂的调谐功能。
四、实验研究本部分将通过实验研究F-P RCFL的性能。
首先，我们将搭建实验装置，包括环形腔、光纤光栅F-P滤波器、泵浦源等部分。
环形腔光纤激光器的理论和实验研究的开题报告
环形腔光纤激光器的理论和实验研究的开题报告
一、选题背景
光纤激光器是目前工业、医疗、科研等领域中应用广泛、最为重要的一类激光器之一，其应用范围包括激光加工、精密测量、光通信、医学等领域。
近年来，随着技
术的发展和应用需求的增加，环形腔光纤激光器成为了研究的热点，其具有紧凑结构、高功率、高斯光束质量等优势，在制造、医学等领域有着广阔的应用前景。
二、研究目的和意义
本项目旨在通过理论和实验研究环形腔光纤激光器的性质和优势，探索其在制造设备、生物医学及其他领域的应用前景，提高国内相关领域的技术水平和竞争力。
三、研究内容和方法
1、环形腔光纤激光器的理论研究：通过理论计算和模型仿真，深入研究环形腔
光纤激光器的特性、参数设置和优势。
2、环形腔光纤激光器的实验研究：选取合适的环形腔光纤激光器样品，进行实
验研究，探究其光学特性、激光输出功率、波长稳定性等性能。
3、环形腔光纤激光器在制造、医学等领域的应用：分析环形腔光纤激光器在制
造设备、生物医学等领域的应用前景和优势，为推广和应用环形腔光纤激光器提供参考。
四、研究进度安排
第一阶段：文献调研和理论计算
第二阶段：环形腔光纤激光器样品制备和实验研究
第三阶段：应用推广和总结
五、预期成果
1、发表相关论文一篇，其中包括对环形腔光纤激光器理论和实验研究的探究和
总结，以及推广应用的指导和建议。
2、推广和应用环形腔光纤激光器这一新型激光器，提高国内相关领域的技术水
平和竞争力。
3、进一步推动环形腔光纤激光器的发展和应用，扩大其在制造设备、医学等领域中的应用范围和影响力。
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窄线宽环形腔光纤激光器自混合测速系统研究杨竟宇，吕亮，俞本立安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽合肥，230601摘要：本文开展了基于窄线宽环形腔光纤激光器的自混合速度传感测量实验，测速范围达到23.55mm/s—635.85mm/s，测量精度优于3%。
该激光自混合测速系统具有结构简单，成本低，测速精度高，动态范围大等优点，能够同时满足高精度和宽测量范围的速度测量要求。
最后我们对实验结果进行了误差分析，为测速系统的进一步优化提供了研究基础。
关键词：自混合干涉；多普勒测速仪；环形腔光纤激光器Self-mixing Sensor for Velocity measurement based on fiber ring laser with ultra-narrow line widthJingyu Yang, Liang Lu, Benli YuKey Laboratory of Opto-Electronic Information Acquisition and Manipulation of Ministry of Education, AnhuiUniversity, Hefei, Anhui, 230601, ChinaAbstract：Self-mixing interference based on fiber ring laser with ultra-narrow line-width was experimentally investigated for velocity sensing application. The measurement dynamic range is as large as 23.55mm/s—635.85mm/s and the relative error of velocity is within 3%. The results indicate that the proposed system satisfies high accuracy and wide dynamic range measuring requirements with the advantages of simple configuration, low cost and high precision. The error of velocity is analyzed which can help to optimize the self-mixing velocity measurement system.Key Words: Self-mixing, Velocity measurement, Fiber ring laser一、引言传统的激光干涉仪一般基于外腔干涉，即信号光和参考光在激光器谐振腔外进行干涉叠加。
由于信号光和参考光为相对独立的两个光路，因此一般要引入除激光器本身之外的其他器件，如光学透镜、光学分束镜、光学棱镜、反射镜等，这导致传统激光干涉测量系统存在结构复杂、体积庞大、光路准直困难等一系列问题，限制了激光干涉测量技术的应用范围。
而自混合干涉[1, 2]传感技术仅需一条光路，相对传统激光干涉系统具有结构简单紧凑、测量精度高、体积小、重量轻、光路易准直等优点，逐渐受到关注，已广泛应用于振动[3, 4, 5]、速度[6, 7]、位移[8, 9]、距离[10, 11]等物理量的高精度测量中。
激光自混合传感技术中的相干长度通常不依赖激光器本身线宽[12, 13]，但该特性只适用外腔反馈较强的情况下。
在弱反馈条件下，则就要求探测光源具有很好的线宽特性，以保证远距离情形下的高精度测量。
但传统环形腔光纤激光器谐振腔长度较长，纵模之间间距较小，各模式之间的竞争会导致跳模现象出现，严重影响输出激光的稳定性。
本研究小组提出了一种在传统环形腔光纤激光器结构基础上插入一段饱和吸收体作为窄带滤波器的方法，实现了稳定的单纵模、窄线宽激光输出以用于激光自混合速度测量。
Target图1 基于自混合干涉效应的多普勒测速仪原理图 图1为激光自混合测速仪的原理[14]：激光器出射的激光束照射到外界运动物散射表面，由于外界物体处于运动状态，因而反馈光会产生多普勒频移效应。
当反馈光反射回到激光器谐振腔内部，对输出光强进行调制、引起激光器出射激光的频率及强度波动等。
通过探测光电探测器的输出电压，就可以获得反馈光与腔内原有光的频率差值信号，即为对应的多普勒频移。
多普勒信号的变化与外界运动物体的运动速度大小关系如下式所示：2cos d nv f θλ=其中，d f 为多普勒测速信号的频率，n 为介质的折射率，v 为待测物体的运动速度，θ代表速度矢量与光轴所成的夹角，λ为所用激光器的工作波长。
二、速度传感实验系统我们搭建了一套基于窄线宽光纤激光器的自混合多普勒测速系统，实验中通过对多普勒频移的跟踪探测，得到外界反馈物体的实时运动速度信息。
图2 基于环形腔光纤激光器自混合效应的多普勒测速系统实验框图图2为基于窄线宽光纤激光器的自混合多普勒测速系统实验框图，泵浦光经由980/1550波分复用器（WDM ）耦合进环形腔内，在长度为2.6m 的掺铒光纤（EDF1）中得到放大。
为了保证激光腔内光路的单项运转、消除熔接点散射以及端面的无用反射光，我们在环形腔内插入了一个光隔离器（Isolator ）。
中心波长为1549.27nm 、反射率为87.12%的光纤布拉格光栅（FBG ）作为激光器端镜，并对输出激光起到一定的选频作用。
一段长为12m 的未泵浦的掺铒光纤（EDF2）作为饱和吸收体插入到FBG 和耦合器之间，分光比为20/80的耦合器（Coupler ）用来引入外腔反馈光和输出光。
图3 基于环形腔光纤激光器自混合效应的多普勒测速系统实物图图3为基于窄线宽环形腔光纤激光器的自混合多普勒测速系统实物图，外界反馈物是一个由直流电机驱动的铝质转动圆盘，其表面贴有普通的黄色牛皮纸作为散射面。
准直器固定在一个三维调节架上，用以引出激光器输出光束和引入经由转动圆盘散射回的反馈光。
实验中我们在相同角速度下，固定激光入射角度，通过改变激光照射点到转盘中心的距离R 实现不同的线速度测量。
三．实验结果和讨论图4 典型自混合速度信号波形图实验中我们利用后续信号处理电路对自混合速度信号进行了放大和滤波处理。
图4为所测得的自混合速度信号波形图。
图4中可以看出，自混合速度信号在散斑信号调制下产生包络，通过后续的电路进行放大、滤波处理之后由频谱分析仪进行观测，再根据多普勒频移和待测速度之间的关系，就可以获得物体运动的速度信息。
F r e q u e n c y (K H z )Velocity(mm/s)图5 多普勒频移与速度关系图图5为速度在23.55mm/s —635.85mm/s 范围内对应多普勒频率的实验测量值，从图5可知，多普勒频移随外界反馈物体运动速度的增大单调线性增大。
图5中黑点为实验中测量的数据值，红色实直线为线性拟合结果，其中线性度R=0.99977。
对实验数据进行进一步分析可知测速范围内相对误差基本保持在2%以内，在速度低于149mm/s 和高于478.58mm/s 时相对误差有所增大，但依然控制在3%以内。
经讨论分析可知，速度测量误差主要来源于环境噪声、测量系统机械误差、多普勒信号的展宽和信号处理电路带来的电子学上的误差等。
实验中多普勒信号展宽高达几十kHz ，伴随速度测量的整个过程，是误差最主要的来源。
多普勒信号展宽主要是由于激光器输出激光的谱线宽度、光斑大小以及散斑效应等导致的。
实验中我们采用窄线宽环形腔光纤激光器作为传感光源，其线宽在kHz以下，因此实验中激光器输出激光光的谱线宽度和光斑大小引起的误差可以忽略不计，但是由于多普勒测速正是利用了粗糙面的后向散射原理进行的，因此散斑效应导致的多普勒频率展宽不可能完全消除，散斑信号导致的多普勒信号展宽是速度测量误差的主要来源。
误差的另一主要来源特别是低速情况下是实验室环境噪声，其频率一般为几十到几百Hz。
当这种环境的随机振动频率迭加在多普勒频率上时会引起测量误差，在低速测量时，环境噪声引起的相对误差值会大幅大于高速测量时的相对值，导致低速测量时误差较大。
四、结论本文提出了一种带有饱和吸收体的窄线宽环形腔光纤激光器，得到线宽在kHz量级的稳定窄线宽激光输出，满足了高测量精度和灵敏度下大范围自混合速度传感系统对光源的要求。
所开展的窄线宽激光器作为光源的基于自混合干涉效应的多普勒测速传感，在23.55mm/s—635.85mm/s的速度范围内获得了优于3%的测速精度。
然后对实验中可能带来误差的各种因素进行了详细分析，分析可知多普勒信号展宽伴随着速度测量的整个过程，是速度测量误差的主要来源，而低速测量时误差较大主要是由于环境噪声引起的，为下一步的测速系统优化和改进奠定了基础。
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