可调谐的低阈值拉曼分布式反馈（DFB）脉冲光纤激光器研究

A Raman gain-based distributed-feedback(R-DFB) fiber laser not only possesses the features of fiber compatibility, compact, low cost,high power output, broad-band continuously tunability, low noise and narrow-linewidth, but also it can be generated at any wavelength ranging from visible to infared. These attractive characteristics have let to R-DFB fiber lasers finding a number of applications in the areas of long-distance coherence telecommunications, fiber sensing and Light Detection and Ranging（LIDAR）. In order to overcome the main issues of the current R-DFB fiber lasers of high lasing threshold power and non-tunability, here, we propose to investigate the fundamental principle,cavity design and key techniques of continuously tunable, low threshold and pulsed R-DFB fiber lasers. We focus on designing a creative phase-shifted non-uniform DFB fiber cavity, which has ultra-high Q-factor and long effective cavity length. By employing a pulsed fiber laser as the pump source, we aim to both numerically and experimentally demonstrate a continuously tunable, low threshold pump power (<100 mW) and high output peak power (>10 W) R-DFB fiber laser. This research plays a key role in promoting the practical process of the R-DFB fiber lasers and we strive to contribute to the development of fiber lasers and sensing with our own independent intellectual property rights in China.

基于拉曼增益的分布式反馈（DFB）光纤激光器不仅具有光纤兼容性好、体积小、成本低、大功率输出、宽可连续调谐、低噪和窄线宽等优点，而且可以实现任意波长的输出。它在长距离相干通信、光纤传感和激光雷达等领域具有非常广泛的应用前景。为了克服目前拉曼DFB光纤激光器的阈值较高和不可调谐等关键技术问题，项目提出研究波长可连续调谐、低阈值且脉冲型拉曼DFB光纤激光器的基础理论、设计方法及关键技术。重点研制具有超高Q值且较长有效腔结构的非均匀相移的DFB光纤光栅，利用脉冲泵浦源，理论和实验实现可连续调谐、低阈值（<100 mW）且大功率输出（输出峰值功率 >10 W）的拉曼DFB脉冲光纤激光器。该研究成果对推动拉曼DFB光纤激光器的实用化进程将起到关键的重要作用，且为我国具有自主知识产权光纤激光器及传感的发展做出贡献。

基于拉曼增益的全光纤分布式反馈（R-DFB）激光器是一种新型的全光纤单频激光技术，只用厘米量级长度的带有π相移的分布式反馈无源光纤光栅，即可实现单频且波长可调谐的全光纤激光器。并且，理论和实验研究了R-DFB激光器的四波混频（FWM）波长变换技术。该技术是产生新频率激光信号的一种非常有效的方法，在科研和工业领域，均已经受到极大的关注。由于FWM效应需要满足相位匹配条件，为实现较高的FWM转换效率，需要将光纤的零色散波长设计在所用泵浦光波长附近，从而限制了光纤或泵浦光选择的灵活性，且提高了光纤的制造成本。基于R-DFB光纤激光器的FWM波长变换技术不仅克服了上述缺点，而且具有同时产生多波长、波长变换带宽范围广且灵活等特点。最后，深入研究了用以产生超短脉冲的被动锁模光纤激光器，通过波形整形，可以作为脉冲R-DFB激光器的泵浦源，实现低阈值、脉冲可调谐、高峰值和单频光纤激光器。具体研究内容及成果如下：.1.搭建了R-DFB仿真模型，分析了起振特征，阈值功率与光纤长度、光栅耦合系数和拉曼增益成反比；且与光纤损耗和模场有效面积成正比。利用高拉曼增益的碲酸盐光纤，可将光栅长度缩短到10厘米，且阈值功率低于100mW，可直接用半导体泵浦实现R-DFB单频激光器；.2.实现了30厘米长的普通光纤单频激光器，线宽<2.2KHz，最大输出功率达到1.6W，受限于所用泵浦源总功率。此外，实验和理论分析了拉曼DFB激光器中的波长变换原理和性能，实现了>110nm波长变换带宽的高效四波混频技术；.3.搭建了一台基于SESAM的耗散孤子被动锁模掺铒光纤激光器，实现多脉冲、谐波锁模及束缚态三种工作状态，并可以通过调节偏振片进行自由切换；.4.搭建了一台基于SESAM的孤子对被动锁模掺铒光纤激光器，实现了孤子对锁模，并通过调节PC实现孤子对的多脉冲、谐波锁模及束缚态三种工作状态；观察到双脉冲工作状态下光谱的新变化，并通过实验解释原因；.5.搭建了一台基于SESAM的被动锁模掺镱光纤激光器，通过调节腔内滤波器，首次实现了六波长可调谐、谐波锁模；.6.通过超短脉冲放大技术研制了一台高功率、超宽连续谱白光光源，实现的指标在该领域内国际领先。