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Er3+-Yb3+共摻雜光纖鎖模激光器的實驗結構圖。其中增益光纖為康寧公司生產的Er3+-Yb3+增益光纖，長度為1 m，在976 nm處的吸收系數為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為偏振相關光纖隔離器，這幾個器件共同組合產生非線性偏振旋轉效應，等效為快可飽和吸收體，對腔內光脈沖起選擇、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構

　　1.2　被動鎖模原理

　　根據H.A.Haus的理論，描述這種被動鎖模的動力學過程表示

　　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；δ為自相位調制；ψ為頻移導致的相移。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β等各種參數。

　　當增益與損耗平衡，即g=l時，可以得出

　　一般理論認為，當腔內具有較大的負的群速色散(GVD)，激光將處于穩(wěn)定的運轉狀態(tài)，而且可產生啁啾很少的短脈沖，隨著|GVD|的不斷減少，脈寬逐漸變窄。#p#分頁標題#e#

        當GVD接近于0時，可以獲得最短的脈寬，但此時激光運轉很不穩(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。當增益與損耗處于臨界或小于損耗，激光脈沖熄滅；當GVD增大到正值，激光又運轉在穩(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，腔內總色散一般為負色散，穩(wěn)定的輸出脈沖寬度為幾百fs，這與實驗結果非常吻合。

　　1.3　高階諧波鎖模

　　利用非線性偏振旋轉鎖模的方法，還可以獲得高階諧波鎖模脈沖，當偏振控制器調整在某個位置時，在較低泵浦功率下便可形成基頻鎖模脈沖運轉，當繼續(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，當自相位調制器(SPM)與GVD相平衡時，會產生孤子激光脈沖，這種孤子激光器之所以產生高階諧波鎖模運轉，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；β″0為二階群速度色散；γ為光纖非線性參數。

　　當β″0<0(負色散區(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?，工作于負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，因為腔內高階孤子是不太穩(wěn)定的，高階孤子在腔內會周期性的改變形狀，或發(fā)生分裂，產生低階孤子。又由于孤子邊帶光譜的產生，限制了其脈寬的進一步減??；在穩(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生的孤子能量具有量子化作用，所以當泵浦功率增大時，Er3+-Yb3+光纖環(huán)型腔內的孤子固有的光脈沖能量并不隨泵浦功率的增加而相應地增大，相反會在腔內形成多孤子振蕩。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，利用偏振旋轉的鎖模結構也可產生高階諧波鎖模光脈沖。#p#分頁標題#e#