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高功率超快掺镱光纤激光器及其应用的研究

【摘要】:高功率超快光纤激光器不仅具有传统光纤激光器的结构紧凑小型化、光-光转换效率高、稳定性好和良好的光束质量等优点,还具有高输出功率、超短脉冲宽度和高脉冲能量等独特优势,因此在激光微加工、光通信、国防军事和科学研究等领域均具有良好的应用价值。掺镱光纤具有转换效率高、量子效率高、能级结构简单、较宽的增益带宽和荧光寿命长等优势,是实现高功率光纤激光器中一种优良的增益介质。因此,高功率掺镱超快光纤激光器在近年来是光纤激光器领域中的一大研究热点。本文瞄准高功率超快激光器在激光微加工等领域的应用,探索实用的小型化高功率超快光纤激光器系统,开展了对1 μm波段的高功率超快掺镱全光纤激光器系统及其应用方面的研究,主要研究内容如下:Ⅰ.利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为锁模器件和反射镜,高掺镱光纤作为增益介质,1064 nm啁啾光栅作为腔内另一个反射镜构建线型腔锁模光纤激光器。在实现稳定锁模皮秒脉冲激光输出的基础上,将其作为种子源激光,采用主控振荡放大(MOPA)技术搭建光纤放大系统,最终得到输出激光波长为1056.4 nm,3 dB光谱线宽为0.3 nm;脉冲宽度为93 ps,脉冲重频5.15 MHz;输出平均功率达到21.45 W,计算可得单脉冲能量~4.16 μJ,脉冲峰值功率大于44 kW。Ⅱ.利用高功率掺镱超快光纤激光作为泵浦激光,300 m长的掺磷石英光纤(PDF)作为拉曼增益光纤,掺磷光纤中随机分布的背向瑞利散射效应和1239 nm的光纤光栅作为腔镜,得到1239nm的随机拉曼超短脉冲光纤激光器。利用脉冲泵浦的随机拉曼激光,能够自动实现泵浦脉冲周期和激光往返时间的同步,得到稳定的脉冲输出。当泵浦功率约为0.98W时,可以获得随机激光输出功率~6.1 mW;输出激光的中心波长位于1239 nm,光谱的3 dB带宽为~1.1 nm;脉冲重复频率与泵浦脉冲一致,为30.45 MHz,输出脉冲为类噪声脉冲(NLP),脉冲底座宽度大于100 ps,尖峰脉冲宽度为1.5 ps。激光输出的基频信噪比达到60 dB以上,并且输出频谱无明显调制,说明获得的随机脉冲激光的稳定运转。Ⅲ.以基于SESAM的被动锁模掺镱全光纤激光器为研究对象,实验比较研究了不同腔内滤波带宽对正色散区束缚态孤子产生的影响。采用高掺Yb光纤作为增益介质,半导体饱和吸收镜作为锁模部件,获得1064 nm全光纤线型腔锁模激光器。当腔内带通滤波器选用不同带宽(0.2 nm、1 nm、1.2 nm或2.3 nm)时,观察到不同的皮秒锁模脉冲状态。在滤波带宽较小(0.2 nm)或较大(2.3 nm)时,仅产生稳定的单脉冲耗散孤子;相反地,在滤波带宽适中(1 nm或1.2 nm)时,我们分别观察到典型的相位差为π和-π/2束缚态耗散孤子,脉宽和脉冲宽度都分别为~3 ps和~14 ps。进一步,将束缚态耗散孤子激光通过MOPA技术放大至1.4 W后,注入到光子晶体光纤中获得了 750-1600 nm超连续谱(10 dB谱宽)、输出功率~0.7 W,相比传统耗散孤子泵浦具有更好的光谱平坦性。

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