学生姓名：任同天

班级班级：测控2020-02班

指导教师：邓吉

毕设题目：基于分布弱反馈的1064nm窄线宽光源系统设计

    一、概况

1.选题意义

激光，作为信息社会的“根技术”，具有高亮度、高相干以及良好方向性等特点。随着现代光电信息技术的迅速发展，高质量激光源在科学研究、工业生产和日常生活等应用领域均具有旺盛的需求。光源作为这些应用的核心，其新功能的研发以及性能的优化一直备受人们的关注。而1064nm波段光纤光源由于镱离子二能级结构的特殊性，表现出极高的量子效率，在高功率激光领域具有独特的优势，是引力波探测，大气多普勒雷达等应用的首选光源。但是与之相对的是二能级结构噪声过高，难以抑制，而现阶段半导体光源由于材料和结构本身特性的原因，也难以实现低噪声窄线宽输出。

近年来，随着激光线宽压缩理论的不断发展，提出了一种新型的自适应分布弱反馈理论。对激光线宽的压缩与噪声抑制具有较好的效果。但是目前该技术在1046nm波段的应用还处于相对空白。所以本选题的目的在于结合分布反馈结构，研发出1064nm的窄线宽，低噪声的激光种子源。同时在现有的测量技术基础上完成对1064nm激光的激光线宽、强度噪声、激光光谱、频率噪声、边模抑制比等五类数据的测量，从而对激光参数进行全面表征，并据此判断分布弱反馈对激光线宽压缩和噪声抑制的效果。

2.任务分解

（1）阅读相关文献，了解激光器组成原理，掌握分布式弱反馈理论对于激光线宽压缩和噪声抑制的机理；

（2）学习激光各参数的表征方法，包括激光线宽、激光光谱、频率噪声、强度噪声、边模抑制比等，了解每种参数代表的意义，以及相应的测量方法；

（3）搭建基于分布弱反馈的1064nm窄线宽激光系统，并对激光的各参数进行测量表征；

（4）对所测的的数据进行处理分析，绘制实验用到的理论模型图，完成毕业论文撰写；

二、已完成工作

1.  学习分布弱反馈及窄线宽激光器相关理论知识

（1）掌握激光器工作原理；

（2）掌握分布式弱反馈理论在激光线宽压缩方面的机理；

（3）了解激光参数测量以及表征激光性能参数的的指标。

2.论文内容梳理

图 1 研究内容梳理

根据前期的技术调研和文献整理以及理论学习，将毕业设计内容主要分为两部分。其中第一部分为线宽压缩系统设计，目的是通过功能单元为选定的1064nm半导体激光器提供开关电平和工作电压，使其发射的激光经过经过基于分布弱反馈原理的激光线宽压缩系统后能够实现激光的窄线宽输出；另一部分为参数测量系统，目的是通过所搭建的服务于1064nm的参数测量系统，对激光线宽、激光光谱、激光强度噪声、频率噪声和边模抑制比共五类数据进行准确测量，并根据测量结果对激光的参数，激光器的性能进行全面表征。

3. 器件选型

材料选型主要包括两种，一种为：反馈光纤选型，另一种为：激光器选型。目前市面上共有两种主要光纤：单模光纤和多模光纤。

多模和单模光纤之间的主要区别是，前者具有更大的纤芯直径，通常是50或62.5µm，而典型的单模光纤是8和10µm的纤芯直径，两者的包层直径都为125µm。

表 1 单模与多模光纤对比

但是单模光纤的衰减系数的一般为0.18dB/km而多模光线衰减系数的随激光波长增大而减小，1310nm波段为0.3dB/km，所以在1064nm波段的衰减系数几乎是单模光纤的两倍。衰减系数是衡量光纤传输损耗的参数，单位是dB/km，衰减达到3dB时功率就衰减了一半。考虑到用的光纤长度较长，而且反馈光纤和光谱仪还要分走一部分激光功率，所以虽然单模光纤的传输设备更贵但是综合考虑还是选择了单模光纤。

图 2 实验用单模光纤（由左至右长度分别为：5km、2km、100m）

其次是半导体激光器的选择。线宽压缩系统是直接作用在激光器发出的激光上，所以要求激光器发出的激光本身就已经具有窄线宽和低噪声的特点，在此基础上对其激光线宽和噪声做进一步压缩和抑制，以此来更好体现出压缩系统的作用。目前性能较好的激光器为半导体激光器，其线宽可以达到15kHz，边模抑制比不小于40dB。且其是目前主流的激光器类型，所以选定1064nm蝶形封装激光器作为实验激光器元件。

图 3 实验用半导体激光器和引脚定义

4. 线宽压缩系统设计

根据前期的理论学习，已经完成了对光源系统的整体设计。共包括三个主要系统：供能系统、线宽压缩系统和参数测量系统。其中供能系统主要为各种供能设备组成，为半导体激光器和声光移频器提供能源。包括为半导体激光器提供能量的24V电压源和为其提供开关电平的5V开关电平。以及为声光移频器的配套电源。

图 4 线宽压缩系统设计

在该系统中，1064nm半导体激光器启动后发出的激光会首先经过耦合器被分为两路，其中一路激光回会作为压缩激光，经过反馈光纤，在反馈光纤中不断进行瑞利散射并对对激光器发出的激光线宽和噪声不断进行压缩和抑制，从而不断优化激光器性能，而另一路激光则经过反馈光纤中的瑞利散射对其激光线宽和噪声进行抑制和压缩后，通过隔离器，被耦合器均分为两路以便接入后续的测量系统。其中隔离器的主要作用是使阻止激光向回传播，从而使下路光纤中的激光的传播方向是不断向前发射的，确保用于后续测量的激光方向的单一性，为后续测量做好准备。

    5. 参数测量系统设计

在完成线宽压缩系统部分的设计后，根据已经掌握的激光参数测量的相关理论知识，结合1064nm波长激光的特点，搭建完成了激光的参数测量系统。

图 5 参数测量系统设计

对于传统光源的线宽测量，一般采用光谱分析仪进行谱线分析，光谱分析仪采用扫描衍射光栅作为选频滤波器，其波长扫描范围宽、动态范围大，但波长分辨率仅限制在十几皮米（大于１ＧＨｚ），因此，目前用光谱分析仪对千赫兹量级的窄线宽光纤激光器进行分析是很困难的，所以可以通过光混频把光频信号频移到微波频段，通过频谱分析仪测量电频谱的3dB带宽，并根据谱形特征计算出光谱的线宽，这就是延迟紫外差法。

经过线宽压缩系统的激光，被耦合器一分为二后一路连接光谱仪，通过光谱仪测量其激光光谱。而另一路激光被用来测量激光线宽和边模抑制比SMSR。采用的方法是短相干延迟自外差法，来自线宽压缩系统的激光信号激光被分为两束，一束通过一段很长的延迟光纤，与另一束光解相干；另一束光不经过处理，但由于整个系统工作在零频附近，较容易引入由于周边环境引起的变动，如空气的微振动和温度的细微变化等因素带来的影响，使得整个仪器对环境的要求比较高，所以通过添加一个声光调制器来将之后的拍频搬移到非基频，去除直流的影响，然后利用偏振控制器调节到和另一束光相同偏振，使得拍频的功率达到最大。

图 6 实际实验系统搭建图

    6. 数据处理

本次的测量数据共有四组，每组有五类数据。其中未经过线宽压缩的那组数据与添加分布弱反馈结构的数据进行对比用来探究分布弱反馈是否在线宽压缩和噪声抑制方面起到了作用，效果如何。而另外三组数据的相互比对可以帮助我们了解分布弱反馈结构中不同长度的光纤对最终的线宽压缩和噪声抑制效果如何。目前所有的数据均已经测量完成，并进行了初步整理。

图 7 激光光谱（左）和调谐光谱（右）

激光光谱选取的是反馈光纤长2km的数据。横坐标表示激光波长单位为：nm，纵坐标表示光信噪比的大小单位为：dBm。

光信噪比OSNR是指在光信号的有限带宽内，光信号功率与噪声功率的比值，其中，噪声的有效带宽一般为0.1nm。在光网络中，信道的OSNR指标是衡量光网络性能优劣的重要标志之一，OSNR直接反映了传输信号以及信道环境的优劣，该指标直接反映了信号在传输过程中被噪声干扰的程度。

公式：       

由图可以看到在1064nm及其附近的激光波长段，激光的光信噪比相对于其他波长段要高许多，差值达到54dB，即在1064nm波段的激光比其他波段的光在功率上要强数十倍，说明分布弱反馈环节起到了较好的作用。

调谐光谱通过调节声光移频器的电阻，来改变发热通过温度的变化影响激光波长使其在一定范围内进行中心波长的细微移动，通过测量每次移动后激光的光谱来探究弱反馈系统是否对能够应对环境或者温度的影响。实验结果表明在每次热调谐后，虽然中心波长的发生了些许移动，但是每次的波形均保持一致，未受到温度影响。  

图 8 边模抑制比

边模抑制比（SMSR）英文名：Side-Mode Suppression Ratio 。主模强度和边模强度的最大值之比称为边模抑制比，是标志纵模性能的一个重要指标。测量边模抑制比时，需要配合光谱分析仪中marker和analysis使用。用maker来标识主波峰值和最高副波峰。读取两波峰值。边模抑制比为两峰之间的能级差。可通过analysis中的子选项进行计算。在激光器输出的光束中，除了主模(desired mode)之外，还可能存在其他带有不同频率的辅助模（ side mode)，辅助模的功率如果很高，则会影响到激光器的性能和稳定性。激光器的边模抑制比是用来衡量主模功率与辅助模功率之间的差别。通常以分贝(dB）为单位表示:计算公式为:    

其中，是主模的功率，是最强辅助模的功率。

较高的边模抑制比意味着主模的功率与辅助模的功率差别更大，激光器的输出更稳定，辅助模对主模的影响更小。一般来说，边模抑制比应该大于40dB，较高的数值表示激光器性能更好。而此次未进行压缩的激光边模抑制比SMSR为：44.64dB。添加反馈结构后边模抑制比有了较大的提升，其中在2km长反馈光纤中，边模抑制比达到了87.18dB几乎是未加反馈的两倍，效果很好。

三、下一步工作计划

（1）将尽快完成数据处理与结果分析的任务；

（2）抓紧时间开始着手撰写毕业论文；

（3）预留出足够时间对论文进行修改并准备结题答辩。

问题一：线宽压缩系统中反馈光纤是怎么起作用的？

回答：主要是利用反馈光纤中的散射点，激光通过这些散射点时会发生瑞利散射，通过激光的瑞利散射来反向压缩泵浦源的激光线宽，从而对激光线宽进行不断地压缩。

问题二：数据处理中测量热调线宽的目的是什么？有什么结论？

回答：调谐线宽的测量是模拟激光器使用中因为实验环境的变化如温度的 而引起的激光线宽的细微变化，探究在激光线宽发生细微改变时线宽压缩系统是否还能够起到作用。实验结果表明在每次热调谐后，虽然中心波长的发生了些许移动，但是每次的波形均保持一致，未受到温度影响。

在整个毕业设计过程中，我成长了许多。在刚拿到论文题目时，面对未知的领域，未知的研究内容，我的内心充满了不安与烦躁。一度十分不自信，后来在指导老师的一点点帮助下，对整个论文研究内容和目的有了一定的认识，并在之后的理论学习中不断加深了相关知识的理解，最后一步步完成了整个毕业设计的实验。

这一路收获了许多，尤其是在面对未知领域的时要永远保持一颗学习探索的心。也要感谢帮助过我的老师和同学们。