短脉冲掺铒光纤激光器及同步泵浦中红外光参量振荡器

发布时间：2017-12-21 06:18

  本文关键词：短脉冲掺铒光纤激光器及同步泵浦中红外光参量振荡器　出处：《北京工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：1.5μm短脉冲掺铒光纤激光器具有结构紧凑、稳定性高、光束质量好等优点,在生物医学、通信传感、材料加工等领域有着广泛的应用。实现短脉冲激光的主要方法有调Q和锁模。本论文中,我们研究了基于新型可饱和吸收体——氧化石墨烯的被动调Q、被动锁模掺铒光纤激光器,分别获得纳秒、皮秒以及飞秒脉冲激光。其中,飞秒脉冲激光具有极强的峰值功率,有益于在非线性晶体中实现高效率的频率转换。我们采用掺铒、掺铥飞秒脉冲同步泵浦技术,在基于PPLN和GaAs晶体的光参量振荡器中实现了3-7μm中红外飞秒脉冲激光的产生。该波段位于大气通讯窗口,且覆盖众多原子和分子吸收峰,在光谱学、遥感以及军事领域有着重要的应用,也是近年来的研究热点。本论文中具体的研究工作主要包括:1.基于氧化石墨烯可饱和吸收体纳秒脉冲掺铒光纤激光器主要研究了被动调Q和类噪声锁模两类产生纳秒脉冲的技术手段。氧化石墨烯材料成本低廉、制备简单,具有超快的恢复时间、极宽的工作波段和很强的可饱和吸收特性。同时,氧化石墨烯由于存在大量含氧官能团,表现出很强的亲水性,可以高度分散在水溶液或其他有机溶剂中,在光学器件制备方面有很高的灵活性。氧化石墨烯被动调Q掺铒光纤激光器采用环形腔结构,随泵浦功率的增加,激光脉冲的重频从68 kHz增至124 kHz,脉宽由1.6μs降至470 ns。该被动调Q纳秒脉冲掺铒光纤激光器成本低、结构简单、稳定性高,有广阔应用前景。此外,我们还研究了基于石墨烯可饱和吸收体的类噪声锁模掺铒光纤激光器,该激光器采用超长的环形腔结构,腔长约为515 m。实验中所使用的石墨烯可饱和吸收体是通过在金镜上沉积石墨烯-聚乙烯醇(PVA)溶液的方法制备的,这里用到的石墨烯是采用真空低温剥离法制备得到的。振荡器的输出脉冲的重频为388 kHz,脉宽为6 ns。通过掺铒光纤放大器,最终得到平均功率553 mW,单脉冲能量1.4μJ的纳秒脉冲激光。2.基于氧化石墨烯可饱和吸收体超短脉冲被动锁模掺铒光纤激光器研究了采用新型可饱和吸收体——氧化石墨烯的被动锁模掺铒光纤激光器。通过对激光谐振腔进行色散管理,可以实现脉冲宽度为200 fs的激光脉冲输出。通过在谐振腔中加入色散补偿光纤,可使锁模激光器运行在正色散区,进而产生带有高度啁啾的耗散孤子脉冲。我们通过建立理论模型,分析了耗散孤子的产生机理及脉冲压缩的极限,且该理论模拟与实验结果具有高度一致性。此外,我们还搭建了全保偏结构的氧化石墨烯被动锁模掺铒光纤激光器,获得了重频48.2 MHz、脉宽502 fs的线偏振激光脉冲。这种线偏振飞秒激光光源结合了氧化石墨烯材料优异的可饱和吸收性质与全保偏光纤激光腔极强的环境稳定性,极富应用前景。3.飞秒脉冲同步泵浦简并中红外光参量振荡器研究了基于PPLN晶体和GaAs晶体的飞秒脉冲同步泵浦简并双谐振中红外光参量振荡器。这类OPO可以输出脉宽小于100 fs的宽带中红外激光,其在光谱学和生物医学等领域有着重大的实际应用。其中,基于PPLN晶体的OPO的泵浦源为掺铒光纤激光器,采用蝶形腔结构。需利用压电陶瓷和PID控制模块建立负反馈机制,实时微调OPO腔长以补偿环境(气流、振动等)对腔的扰动,实现同步泵浦。OPO输出功率为70 mW,斜效率为31.45%。当OPO工作在简并模式下,输出光谱范围是2.5-3.8μm。基于OP-GaAs晶体的OPO泵浦源为掺铥光纤激光器。OPO阈值仅为7 mW,输出功率为73 mW,斜效率为40%,光谱范围为2.6-7.5μm。我们还搭建了基于GaAs晶体OPO(3.2-5.3μm)的双光梳系统,可实现快速、高精度气体吸收谱探测,其光谱分辨率为0.07 cm-1。这种基于同步泵浦技术产生的中红外光频梳,在医学检测、大气监测等领域有广阔的应用前景。本论文的上述研究工作分别在两个单位进行,其中纳秒脉冲掺铒光纤激光器和超短脉冲掺铒光纤激光器的实验是在北京工业大学进行的,中红外OPO的实验是在美国中佛罗里达大学进行的。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248;TN753.91

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本文编号：1315029