1　實驗裝置及原理

　　1.1　實驗裝置

　　圖1是一個非線性偏振旋轉(zhuǎn)Er3+-Yb3+共摻雜光纖鎖模激光器的實驗結(jié)構(gòu)圖。其中增益光纖為康寧公司生產(chǎn)的Er3+-Yb3+增益光纖，長度為1 m，在976 nm處的吸收系數(shù)為9.6 dB/m，2個偏振控制器PC1和PC2用以改變光的偏振角度，ISO為偏振相關(guān)光纖隔離器，這幾個器件共同組合產(chǎn)生非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，等效為快可飽和吸收體，對腔內(nèi)光脈沖起選擇、窄化作用，形成穩(wěn)定的超短脈沖輸出。實驗中，使用連接有硅快速光電探測器的帶寬為200 MHz的Tek數(shù)字示波器(TDS2022B)觀測激光輸出的時域特性，使用多功能光譜分析儀(Anritus MS9001A)觀測激光的頻譜特性并通過打印機輸出，使用微功率計AI9402A測量激光輸出功率。

鉺鐿共摻環(huán)形腔鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)

　　1.2　被動鎖模原理

　　根據(jù)H.A.Haus的理論，描述這種被動鎖模的動力學(xué)過程表示

　　式中：l為線性損耗；x為相移；g為增益；Ωg為增益線寬；γ為可飽和吸收系數(shù)；δ為自相位調(diào)制；ψ為頻移導(dǎo)致的相移。O.E.Martinez和R.L.Fork對方程(1)給出了精確解為

　　由方程(3)，可以解出脈沖歸一化寬度τ，歸一化譜寬ωn，增益g，相移ψ和啁啾參數(shù)β等各種參數(shù)。

　　當(dāng)增益與損耗平衡，即g=l時，可以得出

　　一般理論認(rèn)為，當(dāng)腔內(nèi)具有較大的負(fù)的群速色散(GVD)，激光將處于穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，而且可產(chǎn)生啁啾很少的短脈沖，隨著|GVD|的不斷減少，脈寬逐漸變窄。#p#分頁標(biāo)題#e#

        當(dāng)GVD接近于0時，可以獲得最短的脈寬，但此時激光運轉(zhuǎn)很不穩(wěn)定，其原因是因為脈寬太窄，使得脈沖的有效增益小于噪聲(脈沖)的增益。當(dāng)增益與損耗處于臨界或小于損耗，激光脈沖熄滅；當(dāng)GVD增大到正值，激光又運轉(zhuǎn)在穩(wěn)定脈沖區(qū)，而且在正色散區(qū)，脈沖和啁啾都很大。對于Er3+-Yb3+共摻光纖環(huán)形激光器，工作波長為1.55μm，腔內(nèi)總色散一般為負(fù)色散，穩(wěn)定的輸出脈沖寬度為幾百fs，這與實驗結(jié)果非常吻合。

　　1.3　高階諧波鎖模

　　利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的方法，還可以獲得高階諧波鎖模脈沖，當(dāng)偏振控制器調(diào)整在某個位置時，在較低泵浦功率下便可形成基頻鎖模脈沖運轉(zhuǎn)，當(dāng)繼續(xù)增加泵浦功率，脈沖將可以分成2個或3個脈沖，形成二階諧波或三階諧波等高次諧波。在一個環(huán)形激光器中，當(dāng)自相位調(diào)制器(SPM)與GVD相平衡時，會產(chǎn)生孤子激光脈沖，這種孤子激光器之所以產(chǎn)生高階諧波鎖模運轉(zhuǎn)，主要機理是高階孤子的非穩(wěn)定性與基態(tài)孤子間的相互作用所造成，利用光纖中的孤子理論和非線性薛定諤方程可以定性地說明其產(chǎn)生過程。

　　光纖中的非線性Schr dinger方程為

　　式中：E為光脈沖電場包絡(luò)；β″0為二階群速度色散；γ為光纖非線性參數(shù)。

　　當(dāng)β″0<0(負(fù)色散區(qū))，方程具有孤子解，一階孤子解(N=1)為

　　式中：P0為一階光孤子的峰值功率，P0=|β″0|/γτ2； ks=π/4z0， z0為孤子周期，z0=(π/2)(|β″0|/τ2)，τ為脈沖寬度?？梢姡ぷ饔谪?fù)色散的鎖模脈沖表現(xiàn)出孤子特性，孤子能量Ep可以通過時域積分求得

　　可見，Ep與τ成反比，光孤子脈寬τ越窄，能量越大；而高階孤子比基態(tài)孤子具有更大的面積，因此應(yīng)該具有更大的單脈沖能量。但在實際的實驗中并不會出現(xiàn)這種情況，因為腔內(nèi)高階孤子是不太穩(wěn)定的，高階孤子在腔內(nèi)會周期性的改變形狀，或發(fā)生分裂，產(chǎn)生低階孤子。又由于孤子邊帶光譜的產(chǎn)生，限制了其脈寬的進一步減?。辉诜€(wěn)態(tài)時，光孤子的峰值功率最終達到由APM飽和所決定的最大值。由于光纖孤子激光器所產(chǎn)生的孤子能量具有量子化作用，所以當(dāng)泵浦功率增大時，Er3+-Yb3+光纖環(huán)型腔內(nèi)的孤子固有的光脈沖能量并不隨泵浦功率的增加而相應(yīng)地增大，相反會在腔內(nèi)形成多孤子振蕩。并且由于孤子間的相互作用，相互排斥，最終會形成高次諧波光脈沖。這說明，在一個光纖環(huán)型腔內(nèi)，利用偏振旋轉(zhuǎn)的鎖模結(jié)構(gòu)也可產(chǎn)生高階諧波鎖模光脈沖。#p#分頁標(biāo)題#e#