基于光纤激光的窄带皮秒脉冲产生与放大关键技术研究

发布时间：2020-10-20 08:24

　　 大能量的窄带皮秒脉冲因持续时间短,峰值功率大和光谱纯度高而在微加工、生物医学、光谱学和精密测距等领域具有重要应用。被动锁模光纤激光技术是产生皮秒脉冲的主流方案之一,具有紧凑高效、低成本和免维护的优势,是近年来的研究重点。本学位论文围绕着窄带皮秒光纤激光与放大关键技术开展研究,主要工作内容包括:第一,基于理论和数值方法研究了窄带耗散孤子性质与单脉冲运转区边界问题,指出此类激光器中滤波器带宽对脉冲宽度和带宽的支配性作用,弱非线性区工作特性是限制通过增大腔长降低重复频率和激光器输出脉冲能量低的根本原因。第二,提出并演示一种可保持输出脉冲谱宽和脉宽不变的降低被动锁模皮秒脉冲重复频率方案。实验结果表明,通过插入耦合器抽取腔内脉冲能量,通过采用大模场光纤增加腔长,并将其置于耦合器后端脉冲能量较低位置,可有效降低非线性相移积累,使得激光器重复频率大幅降低。对于0.3nm带宽FBG和SESAM构成的全保偏线形腔耗散孤子被动锁模激光器,通过增加腔长激光器重复频率成功地降低到1.77MHz,而脉宽和谱宽却基本不变。该方法适用于任意FBG带宽的窄带耗散孤子激光器。第三,提出并演示一种通过对种子脉冲光谱整形抑制放大器自相位调制效应,进而提高光纤放大器在保持窄带输出时放大能力的方法。设计了一种通过可调谐陷波滤波器进行光谱强度整形的脉冲时域波形变换方案,有效降低了自相位调制引起的光谱展宽斜率,提高了光纤放大器的窄带放大能力;对11.2ps的种子光源,通过采用光谱整形技术,在0.4 nm的输出脉冲均方值谱宽条件下,将脉冲能量从14 nJ提高至25.5 nJ。第四,研究了非线性光纤放大技术。基于1Ops近变换限制种子光源,利用非线性放大技术获取了平均功率为5W,脉宽为200fs的脉冲。以上研究结果对发展高品质全光纤皮秒激光以满足微加工、医学、测距和光谱学等应用需求具有重要参考价值。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN24
【部分图文】：

?第１章绪论???属性和实现极高的能量和峰值功率的潜力［８１］，吸引了国内外大量研宄和关注。??随着全正色散被动锁模光纤激光器的发展，人们发现，通过在腔内插入ｌｎｍ??以下窄带滤波器，也可产生数皮秒至数百皮秒不等脉宽的高光谱纯度耗散孤子脉??冲［４５，９０］。２００８年，１＼＾（＊丨１１（＾＾１１等人采用光纤布拉格光栅汀８０）作为滤波器、??半导体可饱和吸收体（ＳＥＳＡＭ）作为锁模器件构建的线形腔全保偏光纤激光器，??实现了?４ｐｓ近变换限制的窄带皮秒激光输出［９０］，这种光纤激光器由于输出时频??特性与传统的固体激光器极为类似，且具有结构紧凑、免于维护、成本低廉等优??势，受到了工业界和学术界的重视。??／

??冲的物理图像，此时？（０?＝?％＋Ｏ，其中Ｃ是啁嗽参数。图２．１给出了?４种不同??类型的超短脉冲电场，脉冲的包络函数和中心波长均相同，分别为１０ｆｓ高斯函??数和１．５ｐｍ。图２．１?（ａ）和（ｂ）分别展示了载波包络相位〇。为０和ｔｃ／２的脉冲电场??图像，可见，０）。决定了载波峰值与包络极大值的相对位置，包络峰值处并不总??是对应于载波的极大值，从而将会影响真实的脉冲电场峰值强度，特别是对于??光学周期量级宽度的脉冲。因此，在２０世纪末，钛宝石激光器可以产生５ｆｓ内??的脉冲后［１１１］，对于载波包络相位的测量和控制技术的研宄受到了学界的广泛??重视，相关的研宄直接推动了飞秒光学频率梳的发明［１１２］。图２．１（ｃ）和（ｄ）分别??是具有正和负线性啁啾时的脉冲图像，啁啾参数Ｃ?＝?±?０．０３／ｆ。??－１？０?⑷?／ｆｆｌｋ?中产０?Ｉ．０?叫?／Ｉ?Ｎ?４＞？＝１＾２??－１．０?：?????．?．?．????－１．０?????Ｉ?－?■?????－４０?－２０?Ｕ?２０?４０?－４０?－２０?０?２０?４０??！：：丨⑷?｜?：：｜（ｄ）愈：。一??Ｉ。．。一￣??－１．０?＿■?＇■?■?■?■?■?－１．０?■?■?■?．．．??－４０?－２０?０?２０?４０?－４０?－２０?０?２０?４０??Ｔｉｍｅ?（ｆｓ）?Ｔｉｍｅ?（ｆｓ）??图２．１脉冲的时域物理图像??载波振荡的时域疏密图样直观地反映了脉冲中心频率的变化特征

ｒ）＝「￡（／）ｇ（卜ｒ）ｅｘｐ（－ｚＶｙ／）汾?（２．６）??短时傅里叶变换的思想非常重要，对一个正弦调频信号（图２．２ａ）来说，尽管??其时间频率是解析的，如图２．２（ｂ）红色实线所示。利用短时傅里叶变换的方法??可以在不同的时刻的微小时间窗口内计算出频率（图２．２ｂ中星标），该频率分布??与窗口中心时刻一一对应。??二厕曜哪Ｉ?＿?｜?｜?Ｊｉｌｌ?，??ｉｓ?ｉ?｜?ｉｌｌ??￡?８??ａ?６?！??Ｍｌ???０?２?４?６?８?１０??Ｔｉｍｅ（ｓ）??图２．２正弦调频信号的时域图像（ａ）和时频联合分布（ｂ）??通过以上的分析，可以看到超短脉冲在时域和频域内的描述是等价的。在??不携带啁啾时，脉冲的所有频域成分是时间同步的，从时频分布图上看，在脉??冲持续时间内画一条与Ｙ轴平行的直线，应当包含了脉冲的全部光谱信息。对??１８??
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本文编号：2848448