掺镱光纤光学频率梳产生及高功率放大技术研究

发布时间：2017-04-30 02:17

  本文关键词：掺镱光纤光学频率梳产生及高功率放大技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于锁模激光器输出超短脉冲序列的时频域精密控制所发展的光学频率梳,是开展高精度光学频率计量、高分辨率激光光谱、高精密激光测距、低噪声微波信号产生等领域研究的重要工具。尤其是将掺镱光纤光梳与大模场面积双包层光纤放大技术相结合实现高功率光梳,它不仅能驱动目前的可见光或近红外光梳技术向极紫外或中红外波段拓展,更将带动下一代原子核光钟、紫外精密光谱学、阿秒超快科学等重要学科前沿和尖端技术的发展与进步。本论文围绕掺镱光纤光梳产生与高功率放大这一主题展开研究,并以“光纤激光超短脉冲产生一脉冲载波包络相位探测与噪声抑制—光梳频率控制与锁定—超短脉冲高功率放大”作为研究主线,依次进行了被动锁模掺镱光纤激光器色散管理、基于光子晶体光纤的超连续谱产生、自参考f-2f拍频探测、载波包络相位噪声抑制、锁相环电路反馈稳频、啁啾脉冲放大以及超短脉冲自相似放大等方面的研究。论文实现了自参考掺镱光纤光梳的相位噪声抑制,并基于自行研发的数字锁相环电路获得了连续锁定时间超过1小时、锁定频率精度为85 mHz的稳频载波包络偏移频率信号输出。同时,采用预啁啾管理的自相似放大技术获得了平均功率为80 W,脉冲宽度为38 fs的高功率超短脉冲。本论文的主要研究内容和创新点概括如下：1.研制成超短脉冲锁模掺镱光纤激光振荡器,为发展掺镱光纤光梳及开展超短脉冲放大提供可靠的种子源。采用单模掺镱光纤作为增益介质,基于非线性偏振旋转锁模技术搭建了一套重复频率为60 MHz、中心波长为1030nm的光纤振荡级系统。通过色散管理技术,选择将锁模激光器运行于展宽脉冲锁模区间,获得了最短脉冲宽度为56 fs,光谱宽度为38nm的近红外超短脉冲。2.实现了对载波包络偏移频率f0信号的实时探测以及对载波包络相位噪声的有效抑制。优化选择合适的泵浦条件及光子晶体光纤参数,获得了光谱覆盖范围600～1300 nm超过一个倍频程的宽带超连续谱。基于自参考f-2f拍频技术,选取610nm与1220nm光谱成分相拍,探测到信噪比为30 dB与f0相关的拍频信号。发展了相应的载波包络相位噪声抑制方案,改善f0频率漂移和抖动。通过降低泵浦功率幅度抖动减小f0频率快漂,将自由运行线宽由初始的450kHz减小至170kHz；通过抑制外界环境抖动,将f0频率慢漂由每小时28 MHz减小到小于3 MHz。3.开展超短脉冲时一频域精密控制研究,完成对光纤光梳重复频率fr与载波包络偏移频率而两个自由度的频率锁定,研制出稳频输出的自参考掺镱光纤光梳系统。基于电路锁相环技术,通过反馈调制压电陶瓷的驱动电压控制腔长变化,实现了中心频率约为60 MHz,频率精度为1.44 mHz的重复频率fr锁定。采用以AD9901芯片为核心的数字锁相环电路,通过反馈控制泵浦源电流,实现了载波包络偏移频率f0信号稳频。在优化设计环路滤波器的条件下,获得了中心频率为20 MHz,锁定频率精度为85 mHz,线宽为295 Hz的稳频f0信号输出。4.研制出高重复频率、高功率超短脉冲光纤放大系统。采用啁啾脉冲放大技术与大模场面积双包层光纤放大技术相结合的方式,通过优化设计全光纤类型的脉冲展宽器,抑制高阶色散导致的脉冲畸变,获得了最大功率平均值为239 W,可长期稳定运行的基模高功率脉冲输出,压缩后的超短脉冲最高输出功率为157 W,脉冲宽度为646 fs。发展自相似放大技术,克服了超短脉冲放大过程中的非线性效应与有限增益带宽制约性难题,通过预啁啾管理方案加速增益光纤内超短脉冲演变,实现了压缩后平均功率为80 W,脉冲宽度为38 fs的超短脉冲输出。5.探索产生紫外波段超短脉冲方法。基于对自相似放大器输出脉冲的非线性频率转换过程,获得了中心波长从253.9nm至268.0nm宽带可调谐的深紫外激光,并在259nm中心波长处实现了最高平均功率为1.33 W的紫外脉冲输出。
【关键词】：光纤激光器 光学频率梳 非线性偏振旋转 锁相环 载波包络相位稳定 自相似放大 非线性频率转换
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248
【目录】：

• 论文摘要6-8
• Abstract8-17
• 第一章 前言17-29
• 1.1 研究背景介绍17-25
• 1.1.1 光学频率梳技术及发展历程18-20
• 1.1.2 高功率光纤光梳的研究进展20-22
• 1.1.3 光学频率梳的应用22-25
• 1.2 选题的意义、论文的主要工作及创新点25-29
• 1.2.1 选题的意义25-26
• 1.2.2 论文的主要工作和创新点26-27
• 1.2.3 创新点27-29
• 第二章 锁模掺镱光纤激光器研究29-45
• 2.1 掺镱光纤激光器介绍29-34
• 2.1.1 光纤的基本介绍29-33
• 2.1.2 掺镱光纤器的输出光谱特征33-34
• 2.2 光纤激光器锁模技术介绍34-39
• 2.2.1 可饱和吸收体锁模技术35-36
• 2.2.2 非线性光纤环形镜锁模技术36-38
• 2.2.3 非线性偏振旋转锁模技术38-39
• 2.3 非线性偏振旋转锁模掺镱光纤激光器实验研究39-44
• 2.3.1 实验装置图介绍40-41
• 2.3.2 色散管理与锁模区间研究41-42
• 2.3.3 超短脉冲锁模掺镱光纤激光器的输出特性研究42-44
• 2.4 小结44-45
• 第三章 载波包络相位探测与噪声抑制45-64
• 3.1 自参考f-2f技术探测载波包络相位研究45-54
• 3.1.1 载波包络相位探测技术介绍47-48
• 3.1.2 光子晶体光纤超连续谱展宽的实验研究48-52
• 3.1.3 掺镱光纤激光器载波包络偏移频率探测的实验研究52-54
• 3.2 载波包络相位噪声抑制技术研究54-58
• 3.2.1 载波包络相位噪声来源55-56
• 3.2.2 载波包络相位噪声的抑制56-58
• 3.3 亚谐波锁模状态载波包络相位研究58-63
• 3.3.1 亚谐波锁模脉冲形成机理59-61
• 3.3.2 亚谐波锁模载波包络相位特征分析61-63
• 3.4 小结63-64
• 第四章 光纤光梳频率锁定技术研究64-76
• 4.1 锁相环技术的基本原理64-67
• 4.2 重复频率锁定实验研究67-69
• 4.3 载波包络相位锁定的实验研究69-75
• 4.3.1 AD9901数字鉴相器介绍70-71
• 4.3.2 锁频电路设计方案71-73
• 4.3.3 频率锁定结果与讨论73-75
• 4.4 小结75-76
• 第五章 高功率超短脉冲光纤放大技术研究76-109
• 5.1 高功率掺镱激光技术76-79
• 5.1.1 碟片激光器76-77
• 5.1.2 板条激光器77-78
• 5.1.3 光纤激光器78-79
• 5.2 高功率超短脉冲光纤放大制约因素分析79-84
• 5.2.1 非线性效应80-82
• 5.2.2 端面损伤82-83
• 5.2.3 模式不稳定83-84
• 5.3 高功率超短脉冲光纤放大的关键技术84-89
• 5.3.1 包层泵浦技术85
• 5.3.2 大模场面积光纤模式控制技术85-86
• 5.3.3 双包层光子晶体光纤端面处理技术86-87
• 5.3.4 啁啾脉冲放大技术87-88
• 5.3.5 分离脉冲放大技术88-89
• 5.4 光纤啁啾脉冲放大实验研究89-95
• 5.4.1 全光纤脉冲展宽器设计90-92
• 5.4.2 高功率脉冲放大实验研究92-93
• 5.4.3 超短脉冲压缩实验研究93-95
• 5.5 自相似超短脉冲放大技术研究95-103
• 5.5.1 自相似放大的基本原理96-98
• 5.5.2 预啁啾管理对输出脉冲的影响98-100
• 5.5.3 超短脉冲自相似放大的输出特性100-103
• 5.6 宽带可调谐紫外脉冲产生的实验研究103-108
• 5.6.1 实验装置图介绍104
• 5.6.2 二次谐波产生绿光实验研究104-106
• 5.6.3 四倍频产生宽带可调谐深紫外激光实验研究106-108
• 5.7 小结108-109
• 第六章 总结与展望109-111
• 6.1 论文工作总结109-110
• 6.2 未来工作展望110-111
• 参考文献111-125
• 攻读博士学位期间发表的论文125-127
• 致谢12

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