超窄线宽紧凑型布里渊掺铒光纤激光器机理、特性与应用研究

Lasers based on stimulated Brillouin scattering (SBS) in fibers have drawn wide interests for unique ultra-narrow linewidth. However, limited by the small Brillouin gain coefficient, it is very hard to realize low-threshold, single-frequency, and short-cavity Brillouin lasers without the need of pump-coupled resonators. We propose the compact Brillouin/erbium fiber laser using a length of erbium-doped fiber as both the Brillouin and linear gain media, to realize low-threshold, ultra-narrow-linewidth (<50 Hz), and short cavity (<10 m) Brillouin laser. We will establish steady and dynamical coupled equations for SBS in the erbium-doped fiber, and study the mechanism of exciting Brillouin lasing in a short gain medium pumped by milliwatts light. The conditions of generating and suppressing linear-gain-induced self-lasing modes are studied. The optical power will be simulated by taking the spontaneous emission noise into account. The theoretical model for linewidth narrowing will be established, and the tuning technique and output characteristics will be investigated. Finally, primary application in optical fiber sensing of the BEFL will be studied. These researches enrich the study on SBS in active fibers and ultra-narrow-linewidth laser technique, and promote the development of high-accuracy fiber sensing technique, presenting significant academic and practical values.

基于光纤受激布里渊散射（SBS）的激光器以其独特的超窄线宽特性受到广泛关注。但是由于布里渊增益幅值限制，实现无需苛刻泵浦耦合条件的低阈值、单频、短腔布里渊激光器受到各种制约。申请人提出采用一段数米掺铒光纤同时作为布里渊增益与线性增益介质的紧凑型布里渊掺铒光纤激光器（BEFL），实现了低阈值、超窄线宽（<50Hz）、短腔（<10m）布里渊激光器。本项目将建立掺铒光纤中SBS的稳态和动态耦合波模型，研究两种增益共同作用下毫瓦量级布里渊泵浦光在短增益介质上激发布里渊激光的机制。研究线性增益产生自由振荡激光模式的条件，分析BEFL模式完全抑制自由振荡模式的条件。建立考虑自发辐射噪声的功率模型，建立线宽压缩的理论模型，研究调谐技术与性能，初步研究该激光器在光纤传感中的应用。本项目的内容丰富了有源光纤非线性效应和超窄线宽激光技术研究，推动高精度光纤传感技术的进步，具有十分重要的学术意义和应用价值。

超窄线宽激光器在诸多领域具有十分重要的应用,比如干涉型光纤传感、相干光通信、高精度光谱学、光原子时钟等。目前广泛使用的超窄线宽激光器主要有固体激光器、半导体激光器和掺铒光纤激光器，难以同时实现超窄线宽、中心频率稳定和快速调谐稳定。基于光纤受激布里渊散射（SBS）的激光器以其独特的超窄线宽特性受到广泛关注。本项目研究的紧凑型布里渊掺铒光纤激光器（BEFL）基于一段普通掺铒光纤中的受激布里渊散射，腔长小于10m，具有稳定的单频输出；由于受激布里渊散射的声子衰荡和激光腔的反馈共同作用，该激光器具有Hz量级的超窄线宽；利用PZT的腔长调制，该激光器相比半导体激光器具有稳定的快速调谐特性。本项目通过仿真与实验方法，研究紧凑型BEFL的工作机理、激光输出特性以及几种重要的应用。建立掺铒光纤中的受激布里渊散射耦合波模型，掌握线性增益对布里渊泵浦阈值的影响；对BEFL的输出功率、激光线宽、调谐性能进行理论与实验研究，把握各个特性与激光器参数的关系，以实现激光器的优化。实验结果表明采用49cm的掺铒光纤作为混合增益介质即可实现布里渊激光输出，布里渊泵浦阈值小于1mW，980nm泵浦阈值约为30mW，最大输出功率超过10mW，线宽为3Hz。将此激光器应用于干涉型光纤传感系统，并与使用外腔式半导体激光器的系统相比，实验结果表明使用紧凑型布里渊掺铒光纤激光器的系统本底相位噪声在1kHz频点处降低5dB。这种激光器在相干光学领域具有广阔的应用前景。