随着激光雷达、引力波探测和光学原子钟等新技术的兴起和研究的不断深入，光学精密测量覆盖的应用领域的广度和深度都在拓展，传统自由运转的激光器其稳定性难以满足高精密测量的应用要求。超窄线宽、超低噪声和长期稳定的光源已成为该领域迫切追求的目标。光纤激光器具备结构紧凑、易于集成化和极限线宽窄等特点，通过噪声抑制和稳频技术输出超稳定、超窄线宽激光，近年来逐渐成为热点研究方向。本文从光纤激光器的噪声理论出发，介绍了光纤激光器的噪声来源、分类及测试方法，基于噪声理论，分类总结了光纤激光器强度噪声和频率噪声不同抑制技术的原理、发展历程及现阶段进展，并对窄线宽光纤激光器的发展趋势做了展望。

介绍了一种基于分布反馈光纤激光器的超窄线宽布里渊光纤激光器。采用布里渊环形腔结构,以分布式反馈光纤激光器作为布里渊泵浦光源,以输出波长为980nm的半导体激光器作为腔内掺铒激光放大的泵浦光源,实现了超窄线宽的布里渊激光输出。布里渊环形腔腔长为10 m,加偏振控制后可获得单频布里渊激光输出。为保证激光器的单纵模输出,分布反馈光纤激光器和半导体激光器泵浦光源功率应分别不低于20 mW和50 mW。泵浦光源输出功率最大为250 mW时,最终布里渊激光输出功率超过15 mW,线宽可小于100 Hz。

亚波长光栅导模共振滤波器, 具有高峰值反射率、低旁带反射和窄带等特点, 能够实现基于高低折射率介质的滤波器所无法达到的独特功能。设计了中心波长为852nm的带有间隔层、线宽可控的超窄线宽导模共振滤波器, 并分析了主要参数对反射光谱的影响。选择弱调制的介质作为光栅层, 并在光栅层和波导层之间插入一层低折射率的介质作为间隔层来减小光栅层和波导层之间的耦合强度, 进而使导模共振滤波器的线宽达到0.02nm的超窄程度, 并且该结构中的光栅厚度、占空比等对反射光谱的影响极小, 均利于其工艺制备。

介绍了一种在光纤远端复现超窄线宽激光的方法.将两段50 km的光纤线路通过中继站级联在一起.用锁相跟踪法将中继站中的激光器频率锁定在50 km光纤远端传输光信号上, 跟踪精度达到3.5×10－19.为了保持高光谱纯度, 两个光纤噪声补偿模块独立工作, 用于补偿每段50 km光纤引入的相位噪声.这种级联方案能够确保噪声补偿具有较大的动态范围.经补偿后, 100 km光纤引入的频率不稳定度达到5.9×10－17(1 s平均时间), 10 000 s后达到6.8×10－19.实现了在100 km光纤远端复现超窄线宽激光, 附加线宽低至1 mHz.

提出一种超窄线宽双向反馈的多波长布里渊光纤激光器。一个 2×2的 3 dB耦合器连接 10 km的普通的单模光纤(SMF)作摘为布里渊增益环，分布反馈式半导体激光器作为布里渊抽运源，两个光环行器实现多波长激光的输出和反馈，没有加入掺铒光纤线性增益结构。当布里渊功率为 80 mW时，在 10 km单模光纤中产生受激布里渊散射效应，而获得反向传输的多阶斯托克斯光。不包括抽运光，共观察到 12个波长的斯托克斯光输出，波长间隔为 0.088 nm，输出激光线宽达 300 kHz。

利用耦合非线性微分方程组求解饱和吸收体光栅（SAG）的损耗谱，得到了在无谐振腔时SAG参数与光栅带宽、中心频率损耗、边模抑制比等光栅滤波特性的关系。考虑谐振腔的存在，对SAG纵模边模抑制比进行修正，数值分析了优化区范围及优化程度。结果表明，当满足饱和吸收体长度约为腔内光纤长度1/3时，可实现平坦的边模损耗谱，且在小于由注入功率决定的掺铒光纤长度内，纵模的边模抑制比较无谐振腔时提高了0.3~0.6 dB。采用扫频法初步验证了达到平坦边模损耗谱的条件。

基于超窄线宽激光特性和光源波长扫描技术, 构建了高灵敏度腔增强吸收式乙炔气体检测系统。该系统采用超窄线宽可调谐半导体激光器作光源, 使用两块高反射率平凹透镜组成的光学谐振腔作吸收池, 通过扫描腔长使入射激光频率与谐振腔模式相匹配, 利用激光失谐技术快速断开入射激光, 从而实现对微量乙炔气体浓度的衰荡测量。利用腔增强吸收技术测得了激光衰荡时间和6 518.824 cm-1附近的乙炔弱吸收光谱并进行了分析。结果表明, 乙炔气体浓度线性相关系数优于0.999, 最大相对误差小于2.5%, 极限检测灵敏度为2×10-6; 逐次充入一定体积的乙炔气体, 动态响应时间均小于10 s。该检测系统精确度好、灵敏度高, 具有较好的动态响应特性, 可用于电力变压器故障气体实时在线监测。

基于超窄线宽激光特性和激光器波长扫描技术, 通过对一氧化碳气体近红外吸收光谱的测量及分析, 设计了一氧化碳气体多参数实时在线检测系统。 系统采用超窄线宽可调谐半导体激光器作为光源, 利用气体直接吸收光谱测温法, 实现了一氧化碳气体温度实时检测。 根据所测温度值并结合气体浓度差分检测原理, 实现了一氧化碳气体温度和浓度同时测量。 利用超窄线宽激光器波长扫描技术还测得了不同温度下一氧化碳分子在6 354.179和6 383.09 cm-1附近的吸收谱线并进行了Voigt拟合和分析。 实验结果表明, 系统温度测量最大相对误差小于4%, 长时间稳定性实验, 温度最大相对波动小于3.5%; 系统浓度测量最大相对误差小于5%, 最小检测限为0.05%。 该气体多参数检测系统精确度高、 稳定性好, 可用于电力变压器故障气体状态实时在线监测。

应用超窄线宽半导体激光器的波长扫描和光谱调制技术, 设计了一种高精度多组分气体实时在线检测系统。系统采用单一超窄线宽可调谐半导体激光器作为光源, 设计了新型串联式气室结构减小横向空间、增加光程长, 并通过三角波信号对光源光谱进行调制; 结合时分复用和空分复用技术, 利用超窄线宽激光的特性实现了CO, CO2, CH4多组分气体浓度的同时多点检测。实验结果表明, 对CO, CO2, CH4多组分气体浓度测量的线性相关度为0.99, 最大相对误差<2%; 逐次充入一定体积CH4, CO2, CO气体, 动态响应时间均小于10 s。长时间稳定性实验显示, 多组分气体浓度最大波动<0.02%。该系统精确度高、稳定性好, 具有较好的动态响应特性, 可用于电力变压器故障气体的实时在线监测。