基于非线性放大环镜的低重频高能量掺铒锁模光纤激光器的研究

发布时间：2020-06-21 05:17

【摘要】：随着超短脉冲技术的飞速发展,飞秒激光技术在物理、生物、化学等基础学科领域,以及在频率梳光谱、精密计量、微加工等工业领域的研究引起了广泛的关注。然而实用性一直飞秒激光技术最重要的发展方向。如今人们对超短激光脉冲又提出了新的实用性需求,即如何使激光器输出低重复频率、高脉冲能量和窄脉冲宽度的脉冲。目前,为了获取高能量的超短输出脉冲,可以在激光腔内加入双包层增益光纤或光子晶体光纤等作为增益光纤,提高脉冲能量。然而与普通单模掺杂增益光纤相比,上述两种方式存在制作难度大,稳定性差,影响因子复杂等缺点。因此本文采用的是单模保偏掺铒光纤作为增益光纤,同时增加激光器的腔长来降低重复频率,提高脉冲能量,最终使激光器直接输出低重频高能量的脉冲,这种直接输出的方式降低了系统的复杂度、也减轻了激光器的制作成本。本文在此基础上从理论上研究了增加腔长引起的色散和非线性效应等,并搭建了基于非线性放大环镜的全正色散(All-normal Dispersion,ANDi)被动锁模光纤激光器,最终得到了低重复频率、高脉冲能量的飞秒脉冲。本文的主要研究内容和成果如下:1.简述了低重频高能量锁模光纤激光器的研究背景和意义,并针对现在国内外研究进展和研究现状进行总结。2.叙述了Er3+的光谱特性、能级结构和发光原理等,从而引出Er3+作为增益介质在1550nm处输出激光脉冲的优势,接着分析各种锁模光纤激光器的结构、锁模原理及优缺点等,从而引出非线性放大环镜作为本文锁模方式所具有的优势。3.分析了光纤中色散和非线性效应对脉冲传输的影响,并详细叙述了非线性放大环境的基本理论推导及啁啾脉冲压缩理论,并对全正色散被动锁模光纤激光器进行MATLAB仿真,从而引出本文设计的基于NALM的全正色散掺铒锁模光纤激光器。4.在实验中搭建了腔长接近100m的长腔被动锁模光纤激光器,获得了重复频率为1.96MHz,稳定的单脉冲能量为4nJ,脉冲宽度为2.5ps的激光输出脉冲,通过腔外引入一段保偏单模光纤,进一步将脉冲压缩到660fs,接近变换极限,并测量在10h内平均功率的波动在0.17%左右。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248
【图文】：

的分布和浓度掺杂到纤芯中。要研宄光纤激光器的各种性能，需要先了解掺杂的元素、逡逑浓度、以及稀土离子的光谱特性和能级结构等。铒离子作为一种重要的稀土离子，是逡逑一种典型的激光增益介质。图２－１为Ｅｒ３＋在磷酸盐玻璃中的吸收光谱图。逡逑°＇５１邋Ｋｃ－－２ｈ１１／２逡逑１逡逑0４＇１逦，逦４．逡逑，｜逦；Ｇ５／２逦；Ｆ７／２逦＾１１／２逦／，１３／２逡逑0？0邋＾逦ｉ逦Ｊ逦ｉ逦？逦？逦■逦１逦■逦ｊ逦■逦ｉ逦？逦Ｉ逦？邋ｎ逡逑４００逦６００逦８００逦１０００逦１２００逦１４００逦１６００逦１８００逡逑ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（ｎｍ）逡逑图２－１邋￡＂ｒ３＋在磷酸盐玻璃中的吸收光谱图［５１］逡逑￡ｒ３＋的吸收光谱和发射光谱的特性取决于掺杂玻璃基质的材料性质和ｆｒ３＋的自逡逑身性质。玻璃基质会使￡ｒ３＋能级发生错位，能级的错位会产生斯塔克（Ｓｔａｒｋ）分裂，逡逑８逡逑

荧光的大致过程。逡逑２．１．２邋￡ｒ３＋能级结构逡逑下图２－２为价３＋的三能级结构及跃迁对应的波长示意图。其中，７邋＆对应基态能逡逑级，４／１３／２对应亚稳态能级，４ｊｎ／２对应激发态能级。逡逑＊逦＼逦４／１１／２激发态逡逑＼逡逑＼逡逑＼邋无辐射跃迁逡逑＼逡逑＼逡逑＼逡逑＼逡逑９８0ｎｍ逦—｜逦＾逦４／１３／２邋亚稳态逡逑ｆｇ号光逦放大＿信号光逡逑１４８０ｎｍ逦１５５０ｎｍ逡逑逦逦逦Ｔ逦４邋＿逡逑７邋１５／２基态逡逑图２－２邋￡ｒ３＋的三能级结构及跃迁对应的波长示意图逡逑大多数情况下，掺￡Ｖ３＋光纤激光器的栗浦源为９８０ｎｍ的激光二极管，通过分析逡逑价３＋光谱特性可知，￡ｒ３＋能级跃迁过程主要分为三部分，一是位于基态的￡ｒ３＋吸收逡逑９８０ｎｍ栗浦光使基态？｜５／２跃迁至高能级ｊｉ｜／２邋（波长为９８０ｎｍ）；二是由于激发态光子逡逑寿命短且其极不稳定，高能级（激发态）自发辐射和无辐射跃迁到亚稳态逡逑三是随着９８０ｎｍ泵浦功率升高，粒子数不断增加最终实现反转并释放光子，最终使逡逑￡ｒ３＋产生受激辐射光放大。由于价３＋亚稳态４／｜３／２能级和基态ｊ｜５／２能级之间有一定的逡逑宽度，导致掺铒光纤激光器的放大效应有一定的范围，即为图中所示１５３０ｎｍ－１５６５ｎｍ，逡逑这就包含了处于石英光纤中色散接近零

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本文编号：2723578