单频光纤激光器复习资料

1. 单频光纤激光器的特点和分类

• 特点（）：
  • 线宽窄：kHz量级甚至可达百Hz量级（第3页）。
  • 噪声低：弛豫振荡频率低（约280kHz），强度噪声优化（第4页）。
  • 与光纤网络兼容性好：适用于相干光通信，实现高密度信道传输（第5页）。
  • 应用广泛：光晶格钟（需Hz级线宽）、光纤传感（抗干扰强）、激光雷达（依赖相干长度）（第6-8页）。
• 分类（）：
  • 短线形腔：
    • DBR（分布布拉格反射）：由宽带高反射光纤光栅（WB-FBG）、增益光纤和窄带光纤光栅（NB-FBG）构成（第13页）。
    • DFB（分布反馈）：在增益光纤上刻写π相移光栅，相移位于光栅中心（第21页）。
  • 环形腔：由增益光纤、耦合器、隔离器等组成，光单向传输（第25页）。

2. DBR的结构

• 典型结构（）：
  • 同向泵浦：泵浦光与激光同向进入谐振腔（第15页）。
  • 反向泵浦：泵浦光反向注入（第16页）。
  • 核心组件：WB-FBG（宽带高反射光栅） + NB-FBG（窄带选频光栅） + 增益光纤（第13-14页）。

3. DFB的结构

• 典型结构（）：
  • π相移光栅刻写在掺杂增益光纤上，相移点位于光栅中心，形成等效谐振腔（第21-22页）。
  • 无需额外腔镜，光栅本身提供反馈（第23页）。

4. 环形腔的结构

• 典型结构（）：
  • 行波腔设计，光单向传输（第25页）。
  • 组成：增益光纤 + 耦合器（分光） + 隔离器（确保单向） + 输出耦合器（第26-27页）。
  • 缺点：结构复杂，易受环境干扰（第30页）。

5. 表征光纤参数

• 铒镱共掺磷酸盐光纤参数（）：
  • 数值孔径：0.21（第44页）。
  • 模场直径：5.8μm @1064nm（第45页）。
  • 截止波长：<950nm（第45页）。
  • 吸收系数：976nm泵浦吸收3.5dB/cm（第46页）。
  • 热性能：软化温度480°C，热膨胀系数12.5×10⁻⁶/K（第51页）。

6. 连续光纤激光器参数设计与制作

• 熔接工艺（）：
  • 磷酸盐光纤与石英光纤熔接需非对称加热：熔接电流14.5mA，时间2.0s（第52页）。
  • 熔接损耗<0.3dB（第53页）。
• 设计要点：高增益光纤（如磷酸盐玻璃）缩短腔长，避免空间烧孔（第31-43页）。

7. 输出功率与泵浦功率关系

• 1.0μm波段DBR激光器（）：
  • 斜率效率：35.7%（第62页）。
  • 阈值泵浦功率：45mW，最大输出功率>100mW（第63页）。
  • 功率稳定性：8小时内波动<±1.5%（第64页）。

8. 噪声产生机理与抑制方法

• 强度噪声机理（）：

  • 来源：泵浦波动、弛豫振荡、量子噪声（第7页）。
  • 表达式：$RIN=\frac{S_{\delta P}}{P^2}$（功率波动谱密度）（第6页）。

• 抑制技术：

  • 光电反馈：PD采样+反馈电路，抑制弛豫振荡噪声30dB（第31-34页）。
  • 模式清洁器：F-P腔滤波，抑制高频噪声（第36-39页）。
  • SOA增益饱和：结合光电反馈，抑制噪声至-150dB/Hz（第49-50页）。

• 频率噪声机理（）：

  • 来源：热扰动、泵浦波动（第15-27页）。
  • 表达式：$S_{\Delta \nu }(f)\propto RI{N}_p(f)$（泵浦噪声谱）（第23页）。

• 抑制技术：

  • 光纤干涉仪：马赫-曾德尔干涉仪，抑制40dB（第53-55页）。
  • PDH技术：锁定高精细度F-P腔，线宽<100Hz（第61-62页）。

9. 线宽控制

• 压窄技术（）：
  • 慢光效应：FBG-FP滤波器延长光子寿命，线宽780Hz→200Hz（第70-72页）。
  • 自注入锁定：外腔反馈，线宽15kHz→200Hz（第83-85页）。
• 展宽技术：
  • 频率调制：正弦/噪声调制，线宽800Hz→98kHz（第87-90页）。

10. 稳频方法

• PDH技术：锁定F-P腔参考频率，短期稳定度10⁻¹⁶（第96-99页）。
• 原子吸收谱线：
  • 饱和吸收光谱：HCN气室作频率参考（第101页）。
  • Zeeman效应：磁场分裂吸收线，频率波动<0.5MHz（第103-105页）。
• 光纤干涉仪：长臂差干涉仪稳频，频率波动<500kHz（第108-110页）。

11. 放大-MOPA基本原理与限制因素

• 基本原理（）：
  • 种子源（单频激光） + 多级放大器（预放+主放）（第7页）。
  • 包层泵浦：泵浦光在内包层传输，信号光在纤芯放大（第9页）。
• 限制因素：
  • 非线性效应：
    • SBS阈值：$P_{th}^{SBS}\propto \frac{A_{eff}}{L_{eff}}$（模场面积↑→阈值↑）（第18页）。
    • SRS阈值：$P_{th}^{SRS}\propto \frac{A_{eff}}{L_{eff}}$（第18页）。
  • 热透镜效应：高功率下折射率梯度变化，影响光束质量（第18页）。

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