【精品】混沌激光的产生与应用

【精品】混沌激光的产生与应用

REVIEW 综合评述混沌激光的产生与应用 Generation and Application of Chaotic

Laser 王云才太原理工大学理学院物理系，山西太原 030024 Wang Yuncai Department of Physics College of Science Taiyuan University of Technology Taiyuan，

Shanxi 030024 China 摘要而混沌是激光器不稳定性的一个重要特例。混沌激光作

为激光器输出的一激光器的不稳定性是一个普遍现象，具有类噪声宽频谱的特性。

近年来，种特殊形式，基于混沌激光的一些应用技术相继被提出与完善，结合国

内外研究现状，简要介绍了利用半导体激光器产生混沌激光，以及混沌激光

在保密

光通信、激光测距、光纤断点检对激光相干长度任意调控等方面的应用与研

究进展。

测、关键词混沌激光;保密通信;激光雷达;光时域反射仪;相干长度Abstract

Chaotic laser viewed as a special form of laser diode outputs is a general phenomenon emitted by laser. Chaotic laser has noise-like appearance and wide spectrum bandwidth. Recently some novel techniques have been proposed and developed based on chaotic light. Combined with the research situation and the project team the generation of chaotic

laser utilizing semiconductor laser with optical feedback/injection is briefly introduced and the research progresses of the chaotic laser applications are riviewed such as the chaotic optical secure communication chaotic laser ladar chaotic optical time domain reflectometer and new-type light source of arbitrary variable coherence length. Key words chaotic laser;secure communication;laser ladar;optical time domain

reflectometer;coherence length 中图分类号 N93

doi:10.3788/LOP20094603.00001

引言光反馈在激光器应用中是不可避免的，换言之，激光自从 1960 年世界上第

一台红宝石激光器问世以 R. 器的不稳定性是一个普遍现象。 Lang 等2 发现外部

来，激光技术及应用得到快速发展。激光器的主要应光反馈引起半导体激光

器的非

稳定性和混沌。混沌激用包括:光显示、光存储、激光材料加工、激光医学、

光光

是激光器输出不稳定性的一种特殊形式，此时尽管纤通信、激光检测和光谱分析等

方面。激光器是一个激光器的动态特性同样可以由确定的速率方程来描非线

性系

统，其输出可分为稳态、非稳态和混沌三种述，但是激光器的输出光强、波长、相

位在时域上不 1 再是稳态，而是类似噪声的随机变化。在早期的研究形式。Arecchi

等按照激光器腔内电场、粒子数及相位弛豫时间长短的分类，所有的激光器均可分

为 A，中，侧重于研究如何抑制光反馈或外光注入激光器的 CB，三类。A 类和

B 类激光器在外界扰动下即引入噪声和不稳定输出，以保持激光器的稳态工作35。

C一个自由度可能无法稳定工作，类激光器本身就 20 世纪 80 年代逐渐清晰了

光反馈及光注入激可能运行在非稳态或者混沌输出的状态。类和 B 类 A 光器

的动态特性，发现了激光器从低频起伏 Low激光器所受的外界扰动最

简单、也是最常见的形式即 Frequency Fluctuation到混沌，从倍周期到混沌的演外

部光学元件引起的光反馈，如耦合或准直透镜的表 Ott 10 变过程68 。1990 年，等

9，相继提出了混沌控制和面反射、光纤端面和被照射器件表面反射等。可以说，混

沌同步的概念，启示人们认识到混沌激光可能有着中国光学期刊网 www .

opticsjournal . netREVIEW 综合评述重要的应用。本文结合国内外研究现状，对

光反馈或外光注入下半导体激光器产生混沌激光，特别是混沌激光的几个重要应用:

如混沌保密通信、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、相干长度可调的激光光源给

予简要介绍。2 混沌激光的产生与特性半导体激光器属于 B 类激光器，要实现半

导体激光器的混沌输出需要增加一个自由度。增加自由度典型的方法就是通过外部

光注入、光反馈或光电反馈如图 1 所示。通过控制光注入激光器的注入光强度、相图 2 混沌激光的特性。a 波形;b 吸引子;c 频谱;位以及主从激光器的频率失谐，激光器能够输出稳定 d 自相关曲线的混沌态。同样，通过控制光反馈或光电反馈激光器的反馈光强度和相位，激光器也能够输出稳定的混沌有类似噪声的随机变化，如图 2a所示。其相图为混态。图 1a为外部光注入产生混沌的方式，将主激光沌吸引子，表明混沌激光过程是遍历混沌吸引子所包器输出的相干光场注入到从激光器而产生混沌。光反含状态的伪随机过程，见图 2b。频域上对应的频谱馈产生混沌就是在半导体激光器的外部，通过放置反具有连续宽带的频谱特性，如图 2c所示，从而混沌馈器件使得激光器的输出经反射器件重新返回到激激光天生具备隐蔽性。混沌激光的自相关曲线还具有光器而产生混沌。外部反馈可以是相干光的反馈或是类似于 d 函数的线形，如图 2d所示，可用作抗干扰非相干光反馈，可以是单向的反馈或是双向反馈，可测量信号。优良的相干性是激光器一个显著的特性，以是一般的平面镜反馈或是光栅滤光反馈。而一般在而激光器输出的混沌激光却有低的相干性。由于混沌实验和理论分析中，主要针对平面镜反馈来进行描激光的特性逐渐被掌握，混沌激光日益显示出在以下述，如图1b所示。光电反馈是指半导体激光器输出几个方面的重要应用。的光信号用高速