基于大模场面积光子晶体光纤的锁模振荡器及放大器的性能研究

发布时间：2017-07-07 18:20

  本文关键词：基于大模场面积光子晶体光纤的锁模振荡器及放大器的性能研究

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【摘要】：大模场面积光子晶体光纤飞秒激光器,克服了传统单模光纤小模场对功率和能量提升的限制,获得了可与块状晶体飞秒激光器相比拟的输出参数,同时保留了光纤激光器小型化,低成本,高稳定性,高平均功率等优点。因此,近年来引起国内外科研人员的广泛关注。本论文通过数值模拟和实验验证的方法,系统研究了放大自相似子振荡器的产生及演变特性和非线性放大系统的耦合动力学及其优化。本论文的主要工作和创新点可以概括如下:1.介绍了飞秒激光的特点及发展历程,包括:工作在不同锁模域的振荡器和各种光纤放大技术的发展及其优缺点。2.采用对称分步傅立叶法求解包含增益的非线性薛定谔方程,建立了光纤锁模激光器的数值模型。在此数值模型中,首次根据增益光纤侧面泄露的荧光强度分布建立光纤的增益分布模型。基于该模型,分别讨论了增益、色散、滤波器带宽和输出位置对腔内自相似演化的影响,详细了解了其中的物理机制,得出了最佳的设计参数。3.设计并实现了基于单根10 m的大模场面积光子晶体光纤的、带有色散图的放大自相似子振荡器。根据模拟结果,以第一个光栅的零级反射作为输出,获得了重复频率8.6 MHz,脉冲能量95 nJ的抛物线脉冲输出。这是首次在线形腔中实现放大自相似子运转,95 nJ也是目前获得的放大自相似子振荡器中输出的最高脉冲能量。4.设计和实现了全光子晶体光纤飞秒激光非线性放大系统。通过系统优化获得了同类型飞秒激光放大器中最高的平均输出功率34 W,脉冲宽度约为50 fs,重复频率为42 MHz,对应脉冲能量为0.8μJ,峰值功率16.2 MW。5.根据数值模型,讨论了振荡级腔内净色散量对其输出参数的影响;并分别取调节范围内的零色散、最大正色散和最大负色散三种条件下的输出作为种子光进行放大比较。根据模拟结果,采用工作在零色散附近的色散管理管子振荡器作为种子源,通过调节振荡级腔内色散量和泵浦功率实现了对放大级输出的脉冲质量的优化,获得了平均功率28 W、脉冲宽度45.7 fs的无基底脉冲输出。
【关键词】：飞秒激光 大模场面积光子晶体光纤 放大自相似子 非线性放大
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN752;TN722
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 超短脉冲激光概述12-13
• 1.2 光纤锁模激光器的发展13-16
• 1.2.1 孤子锁模13-14
• 1.2.2 色散管理孤子锁模14
• 1.2.3 自相似子锁模14-15
• 1.2.4 耗散孤子锁模15
• 1.2.5 巨啁啾锁模15-16
• 1.3 光纤飞秒放大器的发展16-19
• 1.3.1 啁啾脉冲放大16-17
• 1.3.2 脉冲分裂放大17-18
• 1.3.3 相干合束放大18
• 1.3.4 自相似放大18-19
• 1.3.5 非线性放大19
• 1.4 课题意义、主要研究内容和创新点19-22
• 第二章 光纤锁模激光器理论模型22-44
• 2.1 增益光纤23-28
• 2.1.1 Yb~(3+)离子特性23-24
• 2.1.2 光子晶体光纤24-25
• 2.1.3 脉冲传输方程25-27
• 2.1.4 分步傅立叶法27-28
• 2.2 光纤锁模激光器中常用的色散补偿器件28-32
• 2.2.1 G-T镜28-29
• 2.2.2 棱镜对29-30
• 2.2.3 光栅对30-32
• 2.3 可饱和吸收体32-34
• 2.3.1 非线性偏振旋转32-33
• 2.3.2 半导体可饱和吸收镜33-34
• 2.4 数值模型34-35
• 2.5 光纤增益分布修正35-44
• 2.5.1 实验装置36-37
• 2.5.2 实验结果37-39
• 2.5.3 模拟结果39-41
• 2.5.4 数值模型修正41-44
• 第三章 带有色散图的放大自相似子振荡器研究44-56
• 3.1 高能量、低重频放大自相似子振荡器的实验研究45-51
• 3.1.1 实验装置45-46
• 3.1.2 模拟结果46-48
• 3.1.3 实验结果48-51
• 3.2 放大的自相似子振荡器的数值模拟研究51-55
• 3.2.1 增益和色散对自相似演化的影响51-52
• 3.2.2 滤波器带宽对自相似演化的影响52-53
• 3.2.3 光纤长度对自相似演化的影响53-54
• 3.2.4 输出位置对自相似演化的影响54-55
• 3.3 本章小结55-56
• 第四章 基于大模场面积保偏光子晶体光纤的非线性放大系统的实验研究56-74
• 4.1 非线性放大系统的实验装置57-58
• 4.2 非线性放大系统的数值模拟及讨论58-63
• 4.2.1 振荡级模拟结果及讨论59-61
• 4.2.1.1 振荡级腔内脉冲的演化过程59-60
• 4.2.1.2 振荡级腔内净色散量对振荡级输出参数的影响60-61
• 4.2.2 选择不同种子脉冲条件下的放大过程的模拟结果61-63
• 4.3 基于色散管理孤子振荡级的非线性放大系统的耦合动力学实验结果及讨论63-72
• 4.3.1 色散管理孤子振荡级实验结果63-67
• 4.3.1.1 振荡级的运转动力学过程63-64
• 4.3.1.2 腔内净色散量对振荡级输出脉冲特性的影响64-66
• 4.3.1.3 泵浦功率对振荡级输出脉冲特性的影响66-67
• 4.3.2 振荡级与非线性放大级的耦合动力学研究67-72
• 4.3.2.1 放大级的动力学过程67-68
• 4.3.2.2 调节振荡级腔内净色散量对放大级输出脉冲特性的影响68-70
• 4.3.2.3 调节振荡级泵浦功率对放大级输出脉冲特性的影响70-72
• 4.4 本章小结72-74
• 第五章 高功率光子晶体光纤飞秒激光放大系统的应用研究74-90
• 5.1 Yb~(3+),Na~+:CaF_2晶体放大特性的实验研究74-82
• 5.1.1 实验装置75-77
• 5.1.2 实验结果77-80
• 5.1.3 实验改进方案和讨论80-82
• 5.2 高功率、小型化太赫兹波辐射源的实验研究82-88
• 5.2.1 太赫兹波辐射源的实验装置82-83
• 5.2.2 实验结果83-88
• 5.2.2.1 Ga P晶体最佳发射角83-84
• 5.2.2.2 脉冲啁啾对太赫兹波辐射效率的影响84-85
• 5.2.2.3 太赫兹波辐射源的频谱测量及分析85-88
• 5.3 本章小结88-90
• 第六章 总结与展望90-94
• 6.1 总结90-92
• 6.2 展望92-94
• 参考文献94-106
• 发表论文和科研情况说明106-108
• 致谢108-109

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本文编号：531325