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铯原子钟驱动源——852nm可调谐光纤激光器研究

作　者: 沈炎龙
导　师: 许立新
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 掺铒光纤上转换 852nm光纤激光器光纤光栅半导体光放大器(SOA) 应力调谐
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

原子钟频标在导弹精确制导、空间精确定位导航等方面起着至关重要的作用。自从1948年世界上第一台原子钟诞生以后,原子钟在国防军事领域,空间探索领域等具有非常重要的应用,故现在有科学家认为原子钟比原子弹更重要。原子钟频标的准确性与精确性引起广泛的关注和研究,随着空间技术的发展,各国对频标和时间基准的准确度要求是越来越高。铯(Cs)原子钟是现有的原子钟中准确度最高,稳定性最好的原子钟之一,它主要由驱动源,铯束管,探测源三个部分组成,其中驱动源采用波长为852nm的激光源,现有的852nm激光源都是半导体激光器,它们的稳定性很难得到保证,而光纤激光器具有结构紧凑、可调谐、稳定性好等优点,原子钟对此类光源有着迫切需求。从上个世纪八十年代开始,我国科学家开始进行自主时间频标铯原子钟的研制,到目前为止,国产铯(Cs)原子钟系统大部分器件都已研制成功, 852nm激光驱动源是目前唯一没有实现国产化的关键器件。本文《铯原子钟驱动源—852nm可调谐光纤激光器研究》是在国家相关项目支持下开展工作的,通过较为系统深入的研究,获得了较好的研究成果,并已通过了总装备部专家组的鉴定。本文主要的研究成果有:1.研制成功850nm波段光纤耦合器。采用光纤熔融拉锥方法,分别制作出50:50,60:40等分束比的耦合器;研制出了800nm/850nm波分复用器,其损耗低于0.5dB,隔离度高于40dB。这些器件的研制成功为后续实验搭建光路提供了必备条件。2.研制了850nm波段单模布拉格光纤光栅,中心波长在851nm附近,所刻写的光栅反射率分布在13%到95%,反射带宽<0.2nm,其为激光器提供了重要的选频元件。3.研究了光栅应力调谐原理和特性,理论计算出有机玻璃作为应力调谐材料,并制作了等强度悬臂梁应力调谐装置。研制出的应力调谐装置稳定性好,调谐范围完全满足实验要求。4.研究了基于硅基掺铒光纤上转换特性,首次提出双波长泵浦普通硅基掺铒光纤以获得852nm激光输出方案。我们采用了双向泵浦方式,双波长(800nm和792nm)泵浦方式,取得了一些初步的结论和结果,为后续的实验工作奠定了坚实的基础。5.成功研究出了利用半导体光放大器(SOA)作为增益介质、工作波长在852nm光纤激光器。激光器输出功率>20mW,光谱宽度<0.05nm,信噪比>30dB,激光器可在851nm—853nm范围内连续可调。激光器结构紧凑,稳定性好。此项成果已通过总装备部专家组验收,并获得一致好评。本文创新性研究工作主要有:1.研制了850nm波段光纤耦合器,波分复用器,研究了光纤光栅原理,并自行刻写了850nm波段单模布拉格光纤光栅。光纤光栅中心波长851nm,反射率最高95%。2.研究了硅基掺铒光纤上转换特性,首次提出用双波长泵浦普通硅基掺铒光纤方案。我们采用双向泵浦方式,双波长(800nm和792nm)泵浦等方式,取得了一些初步的结论和结果,这些结论对后续实验研究有着积极意义。3.首次研究成功了852nm光纤激光器。激光器具有性能稳定,结构紧凑,可调谐等特点。激光器功率达到20mW,信噪比>30dB,激光器可在851nm—853nm范围内连续可调。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-32
  1.1 研究背景  10-12
  1.2 研究意义  12-20
    1.2.1 时间频率精确测量的意义  12-13
    1.2.2 原子钟的发展与分类  13-16
    1.2.3 铯原子钟  16-20
  1.3 852nm 激光器国内外研究状况  20-21
    1.3.1 852nm激光器国外研究状况  20-21
    1.3.2 852nm激光器国内研究状况  21
  1.4 光纤激光器概述  21-25
    1.4.1 稀土掺杂光纤激光器  21-24
    1.4.2 光纤激光器的优点  24-25
  1.5 论文主要工作  25-26
  参考文献  26-32
第二章 850nm 波段相关光纤器件研制  32-44
  2.1 850nm 波段光纤布拉格光栅（FBG）的研制  32-37
    2.1.1 光纤布拉格光栅（FBG）制作原理  32-36
    2.1.2 光纤光栅写入方法  36-37
  2.2 850nm 波段光纤耦合器的研制  37-38
  2.3 800nm/850nm 波分复用器（WDM）的研  38-39
  2.4 等强度梁应力调谐装置的研制  39-41
  2.5 小结  41-42
  参考文献  42-44
第三章基于硅基掺铒光纤上转换852nm 激光实验研究  44-58
  3.1 激光上转换理论基础  44-50
    3.1.1 激光上转换原理  44-48
    3.1.2 掺铒(Er~(3+))光纤上转换性质  48-50
  3.2 基于氟化物掺铒850nm 光纤激光器研究简介  50-51
  3.3 基于硅基掺铒光纤850nm 上转换实验研究  51-54
    3.3.1 基于硅基掺铒光纤上转换实验结构及其结果分析  52-54
  3.4 小结  54-55
  参考文献  55-58
第四章基于 SOA 852nm 可调谐光纤激光器实验研究  58-74
  4.1 半导体光放大器（SOA）简介  58-67
    4.1.1 半导体光放大器的原理  58-62
    4.1.2 半导体光放大器的性质  62-65
    4.1.3 半导体光放大器的应用  65-67
  4.2 基于半导体光放大器(SOA)852nm 可调谐光纤激光器实验研究  67-70
    4.2.1 基于SOA 852nm 可调谐光纤激光器实验装置  67-68
    4.2.2 基于SOA 852nm 可调谐光纤激光器实验结果与分析  68-70
  4.3 小结  70-71
  参考文献  71-74
第五章总结与展望  74-75
在读期间发表的学术论文及申请的专利  75-76
致谢  76

铯原子钟驱动源——852nm可调谐光纤激光器研究

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