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全保偏超短脉冲掺镱光纤激光器的研究

【摘要】:随着激光脉冲向脉冲更短和功率更高的方向的不断发展,其在基础科学研究,生物医疗,材料加工和太赫兹等领域的应用也更加广泛。为了得到稳定的超短脉冲,常用到的锁模器件有半导体可饱和吸收体、石墨烯、单壁碳纳米管、拓扑绝缘体(如硒化铋,碲化铋等)和一些硫化物(如二硫化钼等)以及人造可饱和吸收体(如非线性偏振旋转和非线性光学环路镜等)。此外,由于1μm波段玻璃光纤呈正色散,为了得到更短的超短脉冲输出,一般情况下会加入诸如光纤布拉格光栅、空间棱镜或光栅对等负色散器件。本论文通过在全保偏光纤激光谐振腔内引入负色散啁啾光纤布拉格光栅来调整腔内色散,对全保偏掺镱锁模光纤激光器展开理论和实验研究。本论文主要研究内容和具体方法如下:首先,对保偏光纤的特点和掺镱光纤的性质进行了梳理,并对超短脉冲掺镱光纤激光的产生机制进行了研究。通过数值模拟对输出脉冲的影响因素进行分析,为实验方案和器件参数提供理论指导。其次,建立超短脉冲光纤激光器的物理模型,进而搭建基于啁啾光纤布拉格光栅的全保偏掺镱锁模光纤激光器。在泵浦功率为52 mW时可以实现稳定的锁模运转。三个输出端口的总输出功率可达到9.8mW,重复频率为15.7MHz,脉冲宽度为4.26ps。输出脉冲的中心波长为1030nm,对应的3 dB光谱宽度为7.2 nm,对应理想傅里叶变换极限脉宽约为150fs,单脉冲能量为0.76nJ,脉冲峰值功率为178W。最后,在对色散管理孤子的成因和性质研究的基础上,通过不断改变激光器的腔长,在负色散区实现了单脉冲和色散管理孤子分子的稳定输出。单脉冲状态时,脉冲宽度为4.8ps,可通过外部光栅对压缩到278fs,中心波长为1029.8 nm,3dB光谱带宽为4.3 nm。处于色散管理分子状态时光谱调制范围约为0.222nm,对应于19.5ps的脉冲间隔。通过数值模拟,模拟结果和实验结果也相互吻合。最后测量得到激光器的光-光转换效率为39%,这在同类实验中是比较高的。

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