基于非线性放大环镜的锁模掺铥光纤激光器动力学特性研究

发布时间：2020-05-24 20:17

【摘要】：目前,和1μm、1.5μm波段相比,由于2μm波段的相关元器件和检测设备都非常昂贵,因此对2μm锁模光纤激光器的研究不是特别多,尤其是基于不同色散的非线性放大环形镜(Nonlinear Amplified Loop Mirror,NALM)锁模光纤激光器动力学特性的相关研究较少,还有很多特性需要去探索。此外,大多数的锁模光纤激光器的单脉冲能量都集中在pJ量级,还需要进一步提升。本文围绕色散管理对基于NALM锁模的掺铥光纤激光器进行设计及研究分析,实现了三种不同色散的NALM锁模掺铥光纤激光器,其单脉冲能量都达到nJ量级,得到多种输出特性,在理论和实际应用中都有着重要的意义与价值。其主要内容包括:1.首先,分析本课题的研究背景和意义,对2μm光纤激光器的锁模原理和实现锁模脉冲输出的关键因素进行分析。对真实可饱和吸收体和人造可饱和吸收体的国内外研究现状和优缺点进行对比,为实验方案的选择即基于NALM光纤激光器提供有力依据。然后,分析NALM的基本原理,并对增益介质、泵浦源和色散补偿元件进行具体分析,继而提出了基于NALM锁模的掺铥光纤激光器的实验设计方案。2.设计并实现了一种基于NALM的全负色散锁模掺铥光纤激光器。该激光器输出光谱并不像传统的负色散一样,而是得到了类噪声锁模脉冲输出特性。时域波形和频谱的重复频率都为5.32 MHz,其大小由谐振腔长度决定且和理论值一致。脉冲信噪比达到60 dB,常见的类噪声信噪比一般在40~50 dB,说明本文类噪声锁模光纤激光器的稳定性良好。最大的3 dB带宽达到18.28 nm,远远大于传统的孤子锁模带宽,而且光谱十分的平滑,这是类噪声锁模的典型特点。而且当泵浦功率不断增加时,光谱中心波长往长波长方向移动,即出现红移现象。另外,最大的单脉冲能量达到64.2 nJ,远远大于传统负色散锁模光纤激光器的能量。3.基于色散管理,加入超高数值孔径光纤进行色散补偿,设计并实现了一种NALM零色散的锁模掺铥光纤激光器。在不同泵浦功率下,获得三种不同类型的锁模脉冲输出特性:调Q锁模脉冲、单波长锁模脉冲和双波长锁模脉冲。在调Q锁模脉冲中,其时域脉冲具有典型的调Q锁模脉冲串,光谱图的中心波长在1987.61 nm,对应于的3 dB带宽为7.97 nm。在单波长锁模脉冲中,其时域波形图和射频谱图的重复频率为7.29 MHz,与理论值保持一致。光谱的3 dB带宽为11.21 nm,大于传统的几个纳米带宽而且光谱是平滑的高斯谱分布曲线,这是零色散附近的典型输出特征。在双波长锁模脉冲中,时域波形是成对的双脉冲串,射频谱图有正常的轻微调制现象。在零色散附近的光纤激光器中得到了多种动力学特性,目前还鲜有人报道,为NALM色散管理脉冲动力学特性的进一步研究提供了重要价值和参考意义。4.为了进一步研究色散对输出特性的影响,继续加入色散补偿超高数值孔径光纤,实现了一种NALM正色散的锁模掺铥光纤激光器。在不同的泵浦功率时,得到了基础锁模脉冲和各种多脉冲序列。基础锁模时域波形和射频谱图的重复频率都为5.24 MHz,信噪比约为57 dB。当泵浦功率不断增加时,中心波长出现红移现象,波长调节范围为1997.67~1999.58 nm。在泵浦功率超过8.50 W时,出现准谐波锁模现象。继续增大功率出现脉冲簇现象,且随着功率的增加,每组脉冲簇包含的脉冲数目也增加。另外,当泵浦功率保持在9.00 W处不变时,通过调节偏振控制器获得了多脉冲序列,包括脉冲簇序列、混沌多重脉冲序列和周期性调制脉冲序列。实际上,调节偏振控制器会增加或者减少腔内的增益损耗,相当于增加或减少了泵浦功率,因此出现了一些和调节泵浦功率类似的结果。
【图文】：

实物,器件,耦合泵浦,波段

都是单模传输模式，工作波长也都在 2 μm 波段。实物图如图3.1(d)~(f)所示，，分别为用于耦合泵浦光的(2+1)×1 合束器、2×2 结构 4 端口的 3 dB耦合器和用于输出检测的光耦合器。由于 793 nm 半导体激光器输出端为双包层光纤，因此用工作波段 793/2000 nm的(2+1)×1 型合束器将泵浦光耦合进腔体中。(2+1)×1 单模合束器共有四个端口，分

实物,工具,实验装置,熔接

接的时候成功率更高，而且减小熔接损耗。最后使用如图 3.2(e)所示的光纤熔接机对切割好的光纤进行熔接，并进行拉伸测试以确保熔接后的光纤能够弯曲缠绕等正常工作。光纤熔接机使用的是日本 Fitel 公司制造的保偏型熔接机，它可以熔接保偏类的光纤，还可以熔接不同直径种类的光纤。本文中，有双包层光纤和高数值孔径光纤分别与普通单模光纤进行熔接，需要选择不同的熔接程序，而且根据需要更改放电强度和放电时间，以降低不同光纤种类的熔接损耗。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】