非线性放大环形镜的超快光纤激光器的研究

发布时间：2020-03-20 01:48

【摘要】：光纤激光器与传统的固体激光器相比,具有成本低、结构紧凑、散热性好、稳定性高等特点;同时由于超快光纤激光器具有脉冲窄、光谱宽、峰值功率高的优点,被广泛的应用于各种激光加工领域,因此,如何获得超短脉冲激光输出成为国内外研究的热点之一。目前获得超短脉冲的方式主要包括调Q技术和锁模技术,但调Q技术由于受到调制器件本身的限制,很难获得飞秒量级的锁模脉冲,现阶段使用最广泛主要是锁模技术,其中锁模技术包括主动锁模、自锁模和被动锁模等,前两者受外界环境的影响较大,稳定性较差,而被动锁模技术利用腔内非线性光学器件进行锁模调制,具有结构简单、易于集成等优点,成为现阶段主流的锁模技术,但是,目前已报道的被动锁模技术中,基于可饱和吸收体的激光器受到器件本身的限制,寿命较短;基于非线性偏振旋转的激光器中偏振器件抗外界干扰能力较差。而基于“9”字腔的被动锁模激光器,采用一种新型的非线性环形腔结构,该激光器在“8”字腔激光器的基础上极大的缩短了腔长,有利于产生更高重复频率的激光输出。然而,目前主流的“9”字腔激光器中普遍存在自由空间结构,这些自由空间的部分使得激光器易于受到温度、振动等外界因素的干扰,大大降低了激光器的稳定性和抗干扰能力。本文在此基础上进行了深入的研究,通过在环形腔中引入适当的非线性相移,最终得到了全保偏、全光纤、可自启动的被动锁模飞秒光纤激光器。本文的主要研究工作以及获得的成果如下:1.基于非线性放大环形镜的锁模原理,从理论上推导了“8”字腔激光器的锁模原理。2.在理论的指导下,搭建了基于“8”字腔的被动锁模光纤激光器,配合基于腔外光栅对的脉冲压缩技术,成功获得了飞秒量级的输出脉冲。3.改进“8”字腔激光器的结构,打开“8”字腔激光器的次环,缩短腔长并提高重频,同时,在实验环境下验证了基于“9”字腔激光器的新型腔结构,最终获得了全光纤、全保偏、可自启动的超短脉冲光纤激光器。4.进一步验证了“9”字腔激光器内锁模器件的各项参数对锁模机制的影响,包括相移器大小、耦合器的分光比、单模光纤长度等参数,并获得重复频率为96MHz,脉冲宽度为421fs的锁模激光。
【图文】：

光纤激光器,实物,能级

于包层的折射率，从而把光限制在纤芯内传输，其中，包层和涂覆层对纤芯具有逡逑保护的作用。这里我们以掺铒光纤为例，首先介绍增益光纤是如何工作的，其中，逡逑铒（Ｅｒ0离子的三能级结构如图１－２所示。逡逑＾逦＼逦ｅ２逡逑＼无辐射跃迁逡逑Ｅ１逡逑「：￡邋激吸收逦９８０邋ｒａｎ逦１４８０ｎｍ邋１５５０ｎｍ逡逑泵浦逡逑受激发射逡逑逦逦逦＾——Ｅ0逡逑图丨－２铒离子的三能级结构示意图逡逑正三价的铒离子（Ｅｒ３—）包含三个能级，分别是Ｅ0，邋Ｅ！，邋Ｅ２，其中Ｅｆｉ是稳态，逡逑Ｅ２属于亚稳态，￡１是激发态，首先处于Ｅ0能级的粒子被９８０ｎｍ的泵浦光激发到逡逑Ｅ２能级，但是粒子在Ｅ２能级上是不稳定的，会自发的无福射跃迁到达Ｅｌ能级，逡逑当激发达到一定强度时，处于亚稳态的粒子逐渐增多，处于基态的粒子数逐渐较逡逑小，从而实现粒子数翻转，激发态的粒子会受激跃迁到基态，，释放出１５５０ｎｍ的逡逑光。逡逑２逡逑

纵模,光强

幅度调制函数为ｄ⑴，其中，冰０是关Ｔ时间丨的函数，输出光强／（０与＇（0成逡逑正相关，因此７（０也是关于时间／的函数，通过（２－８）式的分析我们知道，／（0中逡逑包含２７Ｖ邋＋邋１不同的纵模，所以得到的激光屮也存在２７Ｖ邋＋邋１个纵模，图２－１给出了逡逑７个（ｉＶ邋＝邋３）个振荡模的输出光强曲线。逡逑Ａ＼ｔ）逡逑0逡逑ｔ逡逑图２－丨七个振荡纵模的输出光强图逡逑其中调制函数的周期为：Ｔ邋＝邋２ｔｔ／邋Ａｗ邋＝邋１邋／邋Ａ邋Ｖ＇，这与光在腔内往返一周所用的时逡逑间相等。经过锁模之后的脉冲宽度为ｒ＝ｌ／（２Ｎ＋ｌ）Ａｖ，约等于振荡线宽的倒数。逡逑经过上面一系列的理论分析，我们可以总结出以下几点：（１）激光器的输出是间隔逡逑为ｒ邋＝邋Ｉ邋／邋Ｃ的规则脉冲序列；（２）每个脉冲的宽度Ａｒ＝ｌ邋／邋［（２；Ｖ邋＋邋１）Ａｋ邋］，由公式可以逡逑看出，当光谱的线宽越大时，可得到的脉冲宽度越窄；（３）最终得到的激光脉冲的逡逑峰值功率正比于￡0２（２Ｍ邋＋邋ｌ）＇相对于连续波输出的光强提高了邋２Ｍ邋＋邋１倍。逡逑１３逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

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