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1.对指导教师下达的课题任务的学习与理解
（1）对课题任务的学习
在选题结束之后，我首先仔细阅读了任务书及毕设要求，在导师的指导下通过网络搜索了与课题相关的知识，比如光纤激光器的相关知识，模式竞争的基本概念和腔内选模的一些具体方法，来理解腔内选模与波长调谐原理，以及各种谐振腔结构特性和各种滤波器的工作原理。这样，我对该课题的研究方向有了初步的定位。然后我到学校图书馆找到一些相关知识，通过图书馆的IEEE和SCI论文库，在导师的帮助下，筛选出了一些最能够帮助到自己的论文，进行下一步的翻译工作。
（2）对课题任务的理解
在与导师见面指导后，我发现要完成这个课题任务，首先要熟悉相关基本概念，比如：腔内选模与波长调谐原理、各种谐振腔结构特性和各种滤波器的工作原理等等，其次是一些对编程软件和作图分析软件的熟悉和使用，重点在于通过利用Matlab或Optisystem软件，通过泵浦源、腔结构、增益光纤等优化光纤激光器的输出特性（包括功率与模式），分析各个参数对激光器性能的影响，阐述物理机理。
2.阅读文献资料进行调研的综述
（1）光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。
和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发发射。所产生的自发发射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。
（2）目前光纤激光器主要的腔内选模方法：
基于光窄带滤波器：如图所示, 3dB 耦合器 C2、C3、C4 分别与一段未泵浦无源光纤
环组成光窄带滤波器。三个次级无源环各自的腔长都不同, 同 FBG 一起实现了有效的模式选择和线宽压缩。其中, FBG 由于较宽的反射带宽, 它的主要功能就是提供能量反馈和进行初步的模式选择, 三个次级无源环则实现进一步的模式选择。由于多个次级环的存在, 所以只有同时满足主环和所有次级环谐振相位的光才能起振。通过理论分析可知, 多环腔结构的纵模间隔是各个环腔各自纵模间隔的最小公倍数, 可以实现有效的模式选择。
这种腔体结构综合了环腔和短腔的优点: 使用长的主腔来获得较高的功率输出, 使用腔长很短的多个次腔来增大纵模间隔, 实现有效的模式选择, 从而获得单纵模的激光输出。张欣等研究人员使用下图的多环腔结构, 实现了线宽低于 500 Hz, 输出功率约为 3. 6 dBm 的单纵模激光输出。
基于 FBG 的 F- P 标准具：：F- P FBG 标准具是由同一根光纤上的两个布拉格波长相同的 FBG 构成。实验表明, F- P FBG的输出谱线的数目由 FBG 的反射带宽和标准具的腔长决定。标准具的腔长越短( 输出谱线间距越大) , FBG 反射带宽越窄, 标准具所能容纳的模式数目越少。同时, F- P FBG 腔具有外部反馈器件的作用, 可以增大受激发射, 从而抑制自发辐射, 使得线宽变窄。如图所示, 电子科技大学的伍波等研究人员使用 3 m 长的 EDF, 标准具的两个 FBG 的间距为20 mm, 反射率为 50% , 采用双向泵浦方式。LD1和 LD2 的最大泵浦功率分别为 69 mW 和 76 mW,耦合器分束比为 1： 1, 最终实现了功率为 42 mW,线宽为0. 01 nm的稳定的单纵模窄线宽激光输出。
缺点：标准具总会带来透射损失，对低增益的激光器不太合适（如He-Ne激光器），但对高增益的激光器（CO2激光器）则很有效。
基于F-P FBG线腔光纤激光器：另外一种比较新颖的线腔结构，使用两对 FBG 的 F- P标准具, 采用双向泵浦方式, LD1 和 LD2 的最大泵浦功率分别为 76 mW和 69 mW。为了抑制线腔中的空间烧孔效应以及随之而来的多纵模振荡, 使用了 FR( 法拉第旋转器) 。由上述分析可知, F- P FBG 标准具的腔长要短, 这样有利于增大模式间隔, 实现单纵模输出。所以, 两个 FBG 间距为 1 cm。电子科技大学的伍波等研究人员使用上述结构的激光器实现了阈值功率11mW,在泵浦功率145mW的时候,输出功率73mW,线宽小于7kHz的窄线宽激光输出。
基于饱和吸收体：饱和吸收体是由一段未泵浦的掺铒光纤( EDF) 以及一个 FBG 组成, 利用 FBG 的反射作用, 使得入射波和反射波发生干涉, 形成驻波, 使得光纤的轴向折射率发生周期性的空间调制, 形成一个瞬态的光纤光栅。根据 FBG 的耦合模理论, FBG 的反射带宽与 FBG 的长度成反比, 由于这种饱和吸收体中的掺铒光纤可以远远长于普通的 FBG, 因此这种瞬态 FBG 的反射带宽可以远远窄于普通 FBG 的带宽, 从而可以对传输中的信号激光进行窄带滤波, 获得稳定的单频激光输出,抑制跳模。
结合环腔结构和饱和吸收体是一种十分可行的解决方案, 在保证了腔长以获得较高输出功率的前提下, 又实现了单纵模窄线宽的输出。张淑敏等研究人员使用 6 个激光二极管同时泵浦, 并且使用 Er3+、Yb3+共掺的光纤作为增益介质, 实现了3 dB线宽为0. 04 nm, 峰值输出功率为 438 mW的激光输出。
基于复合线腔选模：利用Vernier效应抑制多模振荡。典型结构如下图所示。 M1、M2、M3 三个腔镜的反射率依次为 4. 25%、4. 25%和 90% , 三个腔镜组成了复合线腔M1 和M3 组成主谐振腔; M2 和 M3 组成谐振子腔。由理论分析可知, 如果 M1 与 M2 之间的长度调整合适,主谐振腔和子谐振腔就会有同样的谐振频率。当通过复合腔的光波频率等于谐振频率时, 这一频率的光率先起振, 使得反转离子数饱和以及增益曲线下降, 从而抑制其他纵模的振荡, 实现窄线宽单纵模激光输出。但是仅仅使用复合腔难以得到稳定输出的激光, 常常伴有强度很弱的其他频率的激光, 并容易出现模式竞争现象。
针对以上问题, 我们可以尝试以下方法: a. 使用反射带宽更窄的 FBG 代替腔镜, 抑制其他波长的起振; b. 引进起偏器和布氏片, 并使用布氏片结合复合腔进行模式选择; c. 选择合适长度的 EDF。
（3）在此重点介绍基于光纤光栅滤波器进行选模的光纤激光器：当腔由两个FBGs组成时，反射在他们身上的光群延迟时间是确定腔的自由光谱范围的关键参数。腔的特性基于腔的有效腔长，而FBGs的有效长度需要被计入其中。而光栅有效长度和模间隔都取决于其衍射效率。
波长λ0时的光栅有效长度为：
考虑到光栅衍射效率R=|ρ（ λ 0）|2 ,光栅振幅为n1（ R =tanh2（πn1L/λ0） ），在布拉格波长时的光栅有效长度公式被写为：
用于计算一个均匀FBG在波峰附近的有效长度，这要考虑到光栅的衍射效率和物理长度。其中，ρ是FBG的反射系数，L为光栅的物理长度，公式表明，当衍射效率从极低值变化到约为100%时，FBG的有效长度从其物理长度的一半降低为零 。
这个结构相当于用 F- P FBG 标准具代替了传统直腔结构的 FBG, 这样虽然激光器的结构比以前复杂, 但是由于 F- P FBG 标准具不要求两个 FBG有完全一样的反射波长, 所以在实际的应用中更容易实现。同时, 采用这样的结构可以更好地实现单纵模窄线宽以及高功率的激光输出。这项成果可以被应用于优化单频DBR光纤激光器。
（4）国内外现状与展望
随着1964 年世界上第一代玻璃激光器：光纤激光器的问世，几十年来我们一直在为优化光纤激光器进行着努力。随着选模技术的不断提高，光纤激光器的输出功率逐步提高，窄线宽性能也越来越好。 目前光纤激光器的研究热点主要集中在两方面: 高功率和窄线宽。其中, 窄线宽特点使得光纤激光器可以作为未来的光通信系统的理想光源, 并且可以应用于传感、军事、医疗和高精度光谱学等领域。但是, 窄线宽和高功率两者之间往往受限于目前的技术条件而不能同时达到比较理想的值。通过使用滤波器等其他方法，我们就可以解决这一个问题。迄今为止, 国内外对单纵模窄线宽光纤激光器的研究已经取得了明显的进展,很多性能很好的光纤激光器已经面世, 相信随着研究的不断深入, 更多更好的设计方案将会出现, 为光通信的未来奠定坚实的基础。
由于光纤光栅具有体积小，插入损耗低，与光纤兼容性好等特点，而与光纤F-P标准具相比，光纤光栅标准具具有更好的窄带选模特性，我们决定将研究对象定为由均匀FBG构成的F-P腔，来通过研究光栅有效长度等因素对腔选模特性的影响，尽可能的获得高效率的光纤激光器。
3.根据任务书的任务及文献调研结果，初步拟定的执行（实施）方案（含具体进度计划）
（1）课题的主要内容
理解光纤激光器、激光谐振腔和模式等基本概念以及光纤激光器工作原理，掌握各种谐振腔结构特性，理解腔内选模与波长调谐原理以及各种滤波器的工作原理，并比较其优缺点。利用Matlab或Optisystem软件，通过泵浦源、腔结构、增益光纤等优化光纤激光器的输出特性（包括功率与模式），分析各个参数对激光器性能的影响，阐述物理机理，可能的话通过实验验证。
（2）设计进度
第七学期第16—20周：基本了解任务要求，检索并阅读文献，学习与课题相关的基础知识，理清思路，明确毕设的主要任务，在理解基本概念、掌握研究方法的基础上，设计总体框架，确定分析思路，展开研究。在此过程中，对于短缺的知识及时进行学习补充；
第七学期末至第八学期第1周：展开深入研究，并完成外文翻译，开学后提交开题报告，交
给指导老师批阅；
第八学期第2—6周：首先确定建模方向，学习研究工具，如Matlab或Optisystem模拟软件，
补充基础知识，对光纤激光器中基于双FBG的F-P滤波器进行仿真研究；
第八学期第7—9周：中期检查。完成调研、对比总结报告，实现相关物理量（例如有效腔
长，输出功率，输出激光的调谐范围等等）的模拟计算；
第八学期第10周：检查外文翻译并与老师交流外文文献，适当扩充文献阅读量；
第八学期第11—12周：按撰写规范要求认真撰写毕业设计(论文)报告，交指导教师批阅；
第八学期第13—14周：答辩前完成答辩资格审查、毕业设计报告或毕业论文评阅；
第八学期第14周：对毕业设计进行验收，按程序要求进行答辩；
第八学期14周之后：答辩后续工作。
参考文献
[1] Harith Ahmad, “Tunable Radio Frequency Generation Using a Graphene-Based Single Longitudinal Mode Fiber Laser”, JULY 1, 2012
[2] Ryun Kyung Kim, “Stable and Widely Tunable Single-Longitudinal-Mode Dual-Wavelength Erbium-Doped Fiber Laser for Optical Beat Frequency Generation”, MARCH 15, 2012
[3] Peter Hofmann, ”550-mW Output Power From a Narrow Linewidth All-Phosphate Fiber Laser”, MARCH 1, 2013
[4] Yuri O. Barmenkov, ”Effective length of short Fabry-Perot cavity formed by uniform fiber Bragg gratings”
[5] Ali Salehiomran and Martin Rochette, “An All-Pole-Type Cavity Based on Smith Predictor to Achieve Single Longitudinal Mode Fiber Lasers”, NOVEMBER 1, 2013
[6] 田鹏飞, 《单纵模窄线宽光纤激光器的研究》, 2010
[7] 俞力,《纵模波长可开关的环形腔光纤激光器》,2009 年 7 月
[8] Tao Zhu, “A Single Longitudinal-Mode Tunable Fiber Ring Laser Based on Stimulated Rayleigh Scattering in a Nonuniform Optical Fiber”, JUNE 15, 2011 | 
