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锁模拉曼光纤激光器及其动力学特性研究

【摘要】:随着现代通信网络及数据传输的飞速发展,现有的通信波段将很快用完,研究发展新的波段就成为一个紧迫任务。锁模拉曼光纤激光器作为基于光纤中受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)效应基本原理的光纤激光器,其只要选用恰当的泵浦光源,理论上就可获得任意波长激光输出。拉曼光纤激光器(Rman fiber lasers,RFLs)在光学领域具有结构简单、高功率输出且光束质量好、激射波长灵活可调且转换效率高等优点,可以弥补半导体激光器的缺陷,成为光纤通信系统中较为理想的泵浦光源。本论文的研究工作就是在围绕着锁模拉曼光纤激光器和多波长拉曼光纤激光器基础上,对U波段(1650 nm附近)的拉曼光纤激光器进行了相关理论分析、实验研究和优化设计。首先,本文概述了光纤的构造和基本特性,综述了光纤中互相位与自相位调制、四波混频、受激布里渊与受激拉曼散射等五种主要的非线性效应。在此基础上我们进一步分析介绍了被动锁模光纤激光器中的可饱和吸收体、非线性偏振旋转和非线性光纤环形镜等三种常见的基本锁模方法及拉曼光纤激光器的基本工作原理,包括拉曼散射基本理论、光纤中受激拉曼散射的物理机制及增益、拉曼光纤激光器的几种分类等等。其次,在详细介绍光纤中的纤芯和包层内的光纤模式的基本原理的基础上,进一步阐述了基于非线性偏振旋转(NPR)技术机制的多波长产生原理和Mach-Zehnder型干涉仪滤波器的工作原理。然后利用NPR技术的强度相关损耗特性的多波长产生机制构建并研究了一个基于不同芯径光纤的纤芯--包层间Mach-Zehnder滤波器的多波长可调谐拉曼光纤激光器。我们实验中不仅实现了多波长个数、位置和间隔的可调谐,而且获得了中心波长为1650 nm、波长间隔为0.8 nm的高达40个波长的多波长拉曼光谱,其拉曼波长的信噪比SNR高达58 d B。该1650 nm波段的多波长可调谐拉曼光纤激光器由于其具有简单的结构且调谐方便,其必将在许多领域具有潜在的应用价值。然后,从被动锁模拉曼光纤激光器的阈值条件出发,在研究并构建了一个自制的连续波多纵模宽带激光泵浦光源的基础上着重分析讨论多模激光泵浦的被动锁模拉曼光纤激光器的基本原理。依赖该多纵模激光泵浦,提出和阐述了一个U波段的基于非线性偏振旋转(NPR)锁模机制的高单脉冲能量的被动锁模拉曼光纤激光器,并进一步实验研究了该连续波多模激光泵浦大脉冲能量的被动锁模拉曼光纤激光器及其相关的特性。实验获得了中心波长位于1651.3 nm波长附近的高单脉冲能量的被动锁模拉曼光纤激光器。该激光器能够取得脉宽为890 ps、功率为110 m W的稳定的锁模输出脉冲。该输出脉冲获得了290.7 n J的脉冲能量和326.7 W的峰值功率。激光腔的超模抑制比达到41.2 d B以及其信噪比高达50 d B以上。这种被动锁模拉曼光纤激光器由于其具有简单的结构、大脉冲能量和高峰值功率,该激光器在许多领域具有潜在的应用。最后,根据非线性偏振旋转的光强度相关透射特性的锁模机制研究了一个超高阶被动谐波锁模拉曼光纤激光器。实验研究表明该激光器能够获得高达1552阶谐波锁模的稳定的光脉冲,在1.5 W泵浦功率的情况下激光器的输出功率为168.3 m W。就我们所知,这是目前为止所获得的最高阶的被动谐波锁模光纤激光器。实验中,我们可以获得从第1阶到第1552阶范围内的不同阶数的谐波锁模脉冲。该拉曼光纤激光器的超模抑制比要优于40 d B。同以前的工作相比,该激光器提供了一个关于高谐波阶数、高脉冲能量以及优良的脉冲质量等性能的前所未有的结合。由于它的简单结构和高重复率,这个超高阶谐波锁模拉曼光纤激光器在许多领域具有潜在的应用。

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