1　实验装置及原理

　　1.1　实验装置

　　图1是一个非线性偏振旋转Er3+-Yb3+共掺杂光纤锁模激光器的实验结构图。其中增益光纤为康宁公司生产的Er3+-Yb3+增益光纤，长度为1 m，在976 nm处的吸收系数为9.6 dB/m，2个偏振控制器PC1和PC2用以改变光的偏振角度，ISO为偏振相关光纤隔离器，这几个器件共同组合产生非线性偏振旋转效应，等效为快可饱和吸收体，对腔内光脉冲起选择、窄化作用，形成稳定的超短脉冲输出。实验中，使用连接有硅快速光电探测器的带宽为200 MHz的Tek数字示波器(TDS2022B)观测激光输出的时域特性，使用多功能光谱分析仪(Anritus MS9001A)观测激光的频谱特性并通过打印机输出，使用微功率计AI9402A测量激光输出功率。

铒镱共掺环形腔锁模光纤激光器结构

　　1.2　被动锁模原理

　　根据H.A.Haus的理论，描述这种被动锁模的动力学过程表示

　　式中：l为线性损耗；x为相移；g为增益；Ωg为增益线宽；γ为可饱和吸收系数；δ为自相位调制；ψ为频移导致的相移。O.E.Martinez和R.L.Fork对方程(1)给出了精确解为

　　由方程(3)，可以解出脉冲归一化宽度τ，归一化谱宽ωn，增益g，相移ψ和啁啾参数β等各种参数。

　　当增益与损耗平衡，即g=l时，可以得出

　　一般理论认为，当腔内具有较大的负的群速色散(GVD)，激光将处于稳定的运转状态，而且可产生啁啾很少的短脉冲，随着|GVD|的不断减少，脉宽逐渐变窄。#p#分页标题#e#

        当GVD接近于0时，可以获得最短的脉宽，但此时激光运转很不稳定，其原因是因为脉宽太窄，使得脉冲的有效增益小于噪声(脉冲)的增益。当增益与损耗处于临界或小于损耗，激光脉冲熄灭；当GVD增大到正值，激光又运转在稳定脉冲区，而且在正色散区，脉冲和啁啾都很大。对于Er3+-Yb3+共掺光纤环形激光器，工作波长为1.55μm，腔内总色散一般为负色散，稳定的输出脉冲宽度为几百fs，这与实验结果非常吻合。

　　1.3　高阶谐波锁模

　　利用非线性偏振旋转锁模的方法，还可以获得高阶谐波锁模脉冲，当偏振控制器调整在某个位置时，在较低泵浦功率下便可形成基频锁模脉冲运转，当继续增加泵浦功率，脉冲将可以分成2个或3个脉冲，形成二阶谐波或三阶谐波等高次谐波。在一个环形激光器中，当自相位调制器(SPM)与GVD相平衡时，会产生孤子激光脉冲，这种孤子激光器之所以产生高阶谐波锁模运转，主要机理是高阶孤子的非稳定性与基态孤子间的相互作用所造成，利用光纤中的孤子理论和非线性薛定谔方程可以定性地说明其产生过程。

　　光纤中的非线性Schr dinger方程为

　　式中：E为光脉冲电场包络；β″0为二阶群速度色散；γ为光纤非线性参数。

　　当β″0<0(负色散区)，方程具有孤子解，一阶孤子解(N=1)为

　　式中：P0为一阶光孤子的峰值功率，P0=|β″0|/γτ2； ks=π/4z0， z0为孤子周期，z0=(π/2)(|β″0|/τ2)，τ为脉冲宽度。可见，工作于负色散的锁模脉冲表现出孤子特性，孤子能量Ep可以通过时域积分求得

　　可见，Ep与τ成反比，光孤子脉宽τ越窄，能量越大；而高阶孤子比基态孤子具有更大的面积，因此应该具有更大的单脉冲能量。但在实际的实验中并不会出现这种情况，因为腔内高阶孤子是不太稳定的，高阶孤子在腔内会周期性的改变形状，或发生分裂，产生低阶孤子。又由于孤子边带光谱的产生，限制了其脉宽的进一步减小；在稳态时，光孤子的峰值功率最终达到由APM饱和所决定的最大值。由于光纤孤子激光器所产生的孤子能量具有量子化作用，所以当泵浦功率增大时，Er3+-Yb3+光纤环型腔内的孤子固有的光脉冲能量并不随泵浦功率的增加而相应地增大，相反会在腔内形成多孤子振荡。并且由于孤子间的相互作用，相互排斥，最终会形成高次谐波光脉冲。这说明，在一个光纤环型腔内，利用偏振旋转的锁模结构也可产生高阶谐波锁模光脉冲。#p#分页标题#e#