保偏掺镱光纤锁模激光器的理论与实验研究

发布时间：2020-10-29 17:32

　　 在过去的几十年里,被动锁模的超短脉冲激光器在材料加工,光子-微波学和太赫兹光谱学等多个领域得到了广泛的应用。非线性偏振旋转锁模技术是一种基于叠加脉冲锁模原理的被动锁模技术,相比于其他被动锁模技术,比如一些可饱和吸收体(半导体可饱和吸收镜,碳纳米管、石墨烯等)具有高损伤阈值,快速响应,固有噪声低,对波长不敏感等优点;相比于非线性环形镜,又具有易于调节,技术成熟,容易实现锁模自启动等优点。然而这种锁模技术对于环境的扰动十分敏感,一旦光纤中随机双折射改变脉冲的偏振状态,锁模就可能会被破坏。一个能够消除环境干扰,并将激光器的应用场景提升至实验室外的有效方案是将普通的单模光纤替换成保偏光纤。近年来,在保偏光纤中利用非线性偏振演化技术实现锁模的方案得到了不断地优化。但这些方案的实现仍然需要依靠比较长的光纤,文献中所报道的重复频率都低于50MHz。因此,如何缩短锁模实现所需的长度并提高脉冲的重复频率,成为进一步提高此类激光器参数的关键技术之一。本文主要研究内容包括以下几个方面:1.概述了掺镱光纤中的能级结构,色散与非线性效应,非线性薛定谔方程以及金斯堡朗道方程,介绍了运算精度更高的相互作用表象下的四阶龙格-库塔数值求解方法,最后分析了光纤激光器中的噪声来源及测量方法。2.研究了全正色散区域掺镱光纤振荡器中脉冲的矢量演化过程。首先介绍了标量条件下的耗散型孤子的解析解;基于耦合金斯堡-朗道方程,波片和偏振分束棱镜的琼斯矩阵对脉冲演化进行了仿真,并分析了脉冲在进入检偏器之前在各偏振方向上的状态。实验结果显示,时域波形与光谱的变化与仿真结果类似,总结得出矢量特性来源于两正交偏振方向的不同脉冲特性。3.基于前期的理论与实验准备,对保偏光纤中采用非线性偏振旋转锁模进行了探究。理论计算得出了利于锁模实现的最佳的起偏熔接角度,通过数值仿真研究了脉冲演化的动力学过程,并探究了非线性偏振演化部分光纤长度对于建立锁模的影响。实验上采用计算得出的起偏熔接角度,实现了在腔长1.9m的保偏激光器中,获得了重复频率为111MHz的锁模脉冲。偏振分束器输出端脉冲宽度约为1.32ps,可通过光栅对压缩至192fs,光谱宽度约为17.5nm。该振荡器锁模阈值约为203mw,输出脉冲稳定且可以实现自启动,在无任何保护措施下的噪声特性相比于普通单模光纤振荡器有极大提升,1kHz到10MHz的时间抖动约为6.41fs,相对强度噪声约为0.0052%。最后探究了基于非线性演化锁模的全保偏光纤化方案的最佳检偏熔接角度,通过计算透射率曲线得出:对于任意起偏熔接角度,最佳检偏熔接角度始终为45°。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

q q1cL ，q q1 ，q q1 0E E E (1-2)此时，该电场分量可以进一步表示为：0 0[( ) ]( )i q t qq qE t E e (1-3)这 2N+1 个纵模电场的合成电场为：0 0 0 0( t+ ) ( )( t+ )0 0( ) cos ( )N Ni i q t qiq N q NE t E e e E e q t (1-4)进一步化简可得其时域的包络强度为[6]：2 20221sin (2 1)( )2( ) ( )1sin ( )2E N tI t E tt (1-5)由式（1-5）可以发现光场的时域强度 I(t)表现为脉冲时域包络的叠加，当 N 取1、2、3 时，即有 3、5、7 个不同模式相干叠加时，脉冲的光场强度可以由图 1.1表示。

图 1-2 四种典型的孤子型振荡器分别产生（a）孤子；（b）耗散孤子；（c）色散管理孤子；（d）被动自相似子。图 1-2 展示了产生四种典型类型的孤子的振荡器结构。其中 SA 是指饱和吸制，OC 代表输出耦合，SMF 是指单模光纤，Gain 是指增益，SPM 代表自相制，GVD 表示群速度色散，DDL 表示色散延迟线。图（a）表示的是传统孤Soliton），它需要满足色散与非线性的平衡，腔内色散是全负的[7-8]；图（b）的是耗散孤子（Dissipative soliton）它需要色散与非线性，增益与损耗的平衡满足，腔内一般是大的正色散或者全正色散[9]；图（c）是产生色散管理孤Dispersion-managed soliton），它需要满足色散与非线性的平衡，腔内一般是正与负色散都存在，腔内演化表现为在一个循环内具有展宽-压缩过程[10]；图（产生被动自相似子（Self-Similar），它不属于哈密顿系统，需要同时满足色散线性，增益与损耗的平衡，属于耗散系统，在一个循环内会出现脉冲时域形状相似演化[11]。

第一章 绪论耗大一些，从而实现脉冲的窄化；第二类可以称为叠加脉冲锁模[12]，它是一种等效可饱和吸收体，实质是通过相干叠加实现对脉冲时域的窄化调制，比如非线性偏振旋转锁模，非线性环形镜或者非线性放大环形镜锁模。由于非线性偏振旋转锁模具有高损伤阈值，快速响应，固有噪声低，对波长无要求，易于调节，技术成熟，容易实现锁模自启动等优点，在各种锁模光纤激光器中已经得到了非常广泛的应用本文也正是围绕这一锁模技术进行研究。1.2 非线性偏振旋转锁模技术非线性偏振旋转锁模技术作为一种典型的叠加脉冲锁模，其原理可以通过一个非线性马赫-曾德干涉仪模型来解释[13]。
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本文编号：2861227