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掺镱锁模光纤激光器及非线性光纤放大器理论与实验研究

【摘要】:超短脉冲具有高峰值功率、短脉宽以及宽光谱的特点,目前已经被广泛地应用于材料加工、生物探测、医学治疗、光通信、国防军事和航空航天等诸多领域。伴随着超快激光技术的不断进步,超短脉冲激光逐渐成为十分重要的光源。光纤激光器由于其体积小、耗能低、光束质量高、散热性好、造价低及免维护等优良特性,得到了迅速的发展。锁模光纤激光器和超短脉冲放大器的研制和搭建始终是超快光纤激光器相关研究的核心问题。锁模光纤激光器用以产生稳定的脉冲序列,但通常情况下该脉冲序列的单脉冲能量以及峰值功率都比较低,且脉冲的中心波长和光谱宽度都受到了增益介质发射带宽的限制。超短脉冲放大器可以提升脉冲单脉冲能量及峰值功率,使其能够满足实际应用的需求。如果在放大过程中非线性效应没有对脉冲的光谱产生明显的影响,则称为“线性”放大,放大后的脉冲通过色散补偿能够恢复成的原来的形状;如果放大时引入的非线性效应改变了脉冲的光谱形状乃至产生了新的光谱成分,则称为“非线性”放大,藉由非线性放大可以突破增益介质带宽的限制实现特殊波长超短脉冲或超连续谱输出。本文围绕掺镱锁模光纤激光器和非线性放大器展开了理论与实验研究,内容包括:一、脉冲在光纤中的传输方程和超快光纤激光器中元器件的理论模型简介。介绍了广义非线性薛定谔方程及其变形式;分类介绍了偏振器件和非偏振器件的理论模型;简要介绍了谱方法求解非线性薛定谔方程的过程。二、全正色散锁模光纤激光器的数值模拟。研究了腔长、增益、光谱滤波及可饱和吸收体的特性等对于激光器锁模的影响;模拟了耗散孤子、耗散孤子共振和类噪声脉冲在全正色散光纤激光器中的产生。三、掺镱非线性偏振旋转锁模光纤激光器的实验研究及理论分析。进行了常规非线性偏振旋转锁模和简化腔非线性偏振旋转锁模的实验,简化腔相对于常规腔去除了波片和滤波器。常规腔实验分为两组,两组实验分别获得了脉宽4.6 ps和11.7 ps的耗散孤子输出。简化腔实验共测试了四个腔长,均实现了自启动锁模,输出的单脉冲能量最大为16 nJ。对简化腔锁模实验作了理论分析,其结果与实验吻合得很好。四、脉冲光纤放大器的数值模拟。介绍了速率方程与非线性薛定谔方程的联合模型用于数值模拟脉冲光纤放大器,并在此基础上研究了泵浦方式、增益光纤长度、脉冲的重复频率等因素对光纤放大器输出功率的影响。研究了不同泵浦方式下,脉冲放大过程中非线性啁啾的积累及其对输出脉冲特性的影响,对比了啁啾脉冲放大与常规放大输出脉冲的特性。五、超短脉冲非线性光纤放大器的实验研究和理论分析。分别以非线性偏振旋转实验中的短腔和中长腔锁模激光器为种子源进行了非线性放大实验。以短腔锁模激光器为种子源时,实验在1-1.2μm波段获得了平坦的宽光谱输出,利用滤波的方式在该波段实现了光谱连续可调的超短脉冲输出。以中长腔锁模激光器为种子源时,实验获得了覆盖1.05-1.57μm波段的宽光谱输出。结合进一步的实验和数值模拟,研究了非线性放大器中宽光谱的产生机理,并对输出脉冲的特性进行了讨论,证明了类噪声脉冲在非线性放大器中的产生,并通过压缩获得了底座3.70 ps、尖峰14.5 fs的双尺度自相关曲线。

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