1.5μm单频光纤激光器内部噪声机理研究

噪声对单频激光的性能有着严重的劣化效应，本项目以研究基于新型高增益玻璃光纤的1.5μm波段单频光纤激光器内部噪声产生及抑制所涉及的新原理与新方法等基础问题为目标，着重研究基质玻璃中稀土离子的激发、能量传递、跃迁等物理过程对自发发射光的影响规律，探索自发发射光对量子噪声的影响机制；研究光纤制备及熔接中纳米级团蔟、芯包层界面及熔融点界面组分与结构的微不均匀性，探索由此引起的弹性散射以及热弹性散射对量子噪声的影响机制；研究光纤材料中原子、分子、价键结构及非线性折射率等与非弹性散射、非线性效应之间的内在关系，探索非弹性散射和非线性效应对量子噪声的影响机制。建立短DBR型单频光纤激光谐振腔噪声分析理论模型，实验研究抑制单频激光噪声的方法。本项目研究将有助于加深人们对单频光纤激光噪声等物理问题的理解，促进超低噪声单频光纤激光材料及器件技术的发展。

单频激光在相干光通信、引力波探测、量子保密通信等领域有着应用需求，其中激光噪声直接制约着系统传输距离和探测精度。噪声主要源于幅度上强度噪声和频率上相位噪声（或频率噪声），半导体单频激光已将噪声水平降到很低。国外已有研究机构推出了基于多组分玻璃光纤的单频激光，但这种激光器的噪声还需进一步降低。.本项目研究短DBR型单频光纤激光腔内部噪声起源、探索抑制噪声新技术与新方法等科学问题，主要内容：（1）相位噪声极限中的材料基础问题研究；（2）弹性散射相关的量子噪声基础问题研究；（3）与非弹性散射及非线性效应相关的量子噪声基础问题研究；（4）与热效应相关的量子噪声问题研究；（5）探索研究单频激光噪声抑制的技术和方法。.本项目取得重要结果：.⑴材料基础问题方面：①研究了光纤基质玻璃材料光学特性，揭示了光纤材料弹性散射、非弹性散射等与激光量子噪声关系，拉制了两种高掺磷酸盐光纤，增益大于12dB/cm和10dB/cm。②研究了稀土离子发光、能量传递等问题，阐明了稀土离子浓度、发光效率、荧光寿命等对自发辐射与腔模耦合影响，拉制了高掺Tm锗酸盐光纤，增益大于3dB/cm。.⑵噪声机理方面：①发现了高功率运转下泵浦功率起伏诱导腔内温度场扰动是引起频率噪声主要原因。②建立了磷酸盐单频光纤激光中泵浦诱导产生频率噪声理论模型，推导出其表达式 。③发现了单频激光在低输出功率下有明显ASE噪声，分布在驰豫振荡频率以上直至接近量子噪声极限。.⑶噪声抑制方面：①实现了虚拟折叠腔对单频激光线宽的压缩，获得了线宽820Hz单频激光。②实现了慢光虚拟折叠腔对单频激光线宽进一步压缩，获得了线宽600 Hz单频激光。③滤除ASE和提高SBS阈值，用保偏光纤放大器实现了功率10.9 W、波长1560nm单频激光输出。④基于系统传递函数设计了强度噪声抑制电路，实现了弛豫振荡峰抑制幅度大于20dB，至-150dB/Hz。⑤用光电负反馈对单频激光强度和频率噪声进行了抑制，实现了0.3-3kHz范围强度噪声下降20dB，至-110dB/Hz；1kHz处频率噪声下降10dB，至40dB re Hz/Hz1/2。⑥用单频激光自注入锁定实现了频率与强度噪声大幅抑制，频率噪声抑制25dB，线宽从3.5 kHz压缩到700 Hz；强度噪声抑制带宽达30MHz，驰豫振荡峰抑制35 dB，从-90 dB/Hz到-125 dB/Hz。