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单频激光器以窄线宽、低噪声、高相干性的特点,广泛应用于相干激光雷达、高分辨率激光光谱学、激光原子冷却、高精度光纤传感、引力波探测、微波光子学等前沿科学和高精度应用领域。上述的应用重点关注单频激光器的功率、噪声、线宽等关键性能指标。单频激光的功率主要与激光增益介质的浓度和激光器整体性能有关。单频激光噪声主要包含短时间的强度噪声、相位噪声/频率噪声以及长时间段的频率稳定性,线宽实质上也是频率噪声的一种表现形式。单频激光器的噪声性能体现了单频激光的质量,同时也是制约单频激光发展应用的关键因素之一。单频半导体激光器(包括集成外腔半导体激光器)和短腔结构单频光纤激光器具有结构紧凑、尺寸小重量轻、能量转换效率高等优势,极具实际应用潜力。所以本论文主要以上述两类单频激光器作为研究对象,探究单频激光器噪声以及噪声抑制的技术方案,并获得一些初步结果。 1、梳理总结了单频激光的强度噪声和相位/频率噪声的来源和表征体系,以及激光噪声测量方式。推导了随机噪声源对载流子浓度、光子浓度和极化强度的影响。 2、搭建了主模和边模拍频强度噪声抑制实验平台,其中激光器为Littrow结构外腔半导体激光器,光子缓存器为参量倍频BBO晶体。首先深入研究了参量倍频晶体抑制拍频强度噪声的机理。半导体激光器中激光主模和边模拍频导致的布居数振荡(CPO)和四波混频(FWM)。由于边模处的增益和折射率类的布居数振荡效应,边模处的增益和折射率被布居数振荡调制了,使得红移和蓝移的边模不对称,首次在半导体激光器中观察到了强度噪声峰的双峰现象。其次在实验上,观察到了主模和一阶~三阶非激光边模各自的拍频强度噪声峰,并且噪声峰均为双峰。实验表明,外腔半导体激光器较长的增益介质会使CPO和FWM效应增强和带来更复杂的物理机制。同时也观察到因BBO晶体的二次谐波效应,Littrow结构外腔半导体激光器的拍频强度噪声被有效抑制。最后观察到越偏离BBO的相位匹配角,拍频强度噪声抑制的效果越差,证明了拍频强度噪声峰因二次谐波效应抑制的。 3、设计和实现了窄线宽全光纤环滤波器,其可用做激光腔镜,进一步压窄单频激光器的线宽。首先从理论上推导出双环光纤环滤波器的反射率表达式,并详细地数值分析和实验验证了其反射率、反射相位和群时延特性。研究结果表明:由超低反光栅(Rg=0.9%)和低分光比光纤耦合器(k2=0.15,L2=51cm)构成的单环滤波器具有高反射率、超窄线宽和高群时延特性,还显示了良好的慢光效应。而双环滤波器不仅保持了以上良好特性,还因游标效应,共振幅度得到调制,具有更大的有效自由光谱范围(FSR:28pm)、边模抑制比(SMSR:3dB)和不易跳模等特点。有望利用全光纤环滤波器压窄线宽和抑制频率噪声等优点,把其应用到单频激光器噪声抑制,精密光谱学等领域中。