基于光纤激光的窄带皮秒脉冲产生与放大关键技术研究

论文摘要

大能量的窄带皮秒脉冲因持续时间短,峰值功率大和光谱纯度高而在微加工、生物医学、光谱学和精密测距等领域具有重要应用。被动锁模光纤激光技术是产生皮秒脉冲的主流方案之一,具有紧凑高效、低成本和免维护的优势,是近年来的研究重点。本学位论文围绕着窄带皮秒光纤激光与放大关键技术开展研究,主要工作内容包括:第一,基于理论和数值方法研究了窄带耗散孤子性质与单脉冲运转区边界问题,指出此类激光器中滤波器带宽对脉冲宽度和带宽的支配性作用,弱非线性区工作特性是限制通过增大腔长降低重复频率和激光器输出脉冲能量低的根本原因。第二,提出并演示一种可保持输出脉冲谱宽和脉宽不变的降低被动锁模皮秒脉冲重复频率方案。实验结果表明,通过插入耦合器抽取腔内脉冲能量,通过采用大模场光纤增加腔长,并将其置于耦合器后端脉冲能量较低位置,可有效降低非线性相移积累,使得激光器重复频率大幅降低。对于0.3nm带宽FBG和SESAM构成的全保偏线形腔耗散孤子被动锁模激光器,通过增加腔长激光器重复频率成功地降低到1.77MHz,而脉宽和谱宽却基本不变。该方法适用于任意FBG带宽的窄带耗散孤子激光器。第三,提出并演示一种通过对种子脉冲光谱整形抑制放大器自相位调制效应,进而提高光纤放大器在保持窄带输出时放大能力的方法。设计了一种通过可调谐陷波滤波器进行光谱强度整形的脉冲时域波形变换方案,有效降低了自相位调制引起的光谱展宽斜率,提高了光纤放大器的窄带放大能力;对11.2ps的种子光源,通过采用光谱整形技术,在0.4 nm的输出脉冲均方值谱宽条件下,将脉冲能量从14 nJ提高至25.5 nJ。第四,研究了非线性光纤放大技术。基于1Ops近变换限制种子光源,利用非线性放大技术获取了平均功率为5W,脉宽为200fs的脉冲。以上研究结果对发展高品质全光纤皮秒激光以满足微加工、医学、测距和光谱学等应用需求具有重要参考价值。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 皮秒脉冲的应用

1.2 皮秒脉冲激光源的发展历程与现状

1.3 基于光纤激光的皮秒脉冲

1.3.1 被动锁模光纤激光器

1.3.2 窄带耗散孤子掺镱光纤激光

1.3.3 皮秒脉冲光纤放大技术

1.4 本论文的工作

第2章耗散孤子光纤激光器基本理论

2.1 皮秒脉冲在光纤中的传输

2.1.1 超短脉冲的物理模型

2.1.2 皮秒脉冲在光纤中的传输

2.2 耗散孤子被动锁模光纤激光器解析理论

2.3 调Q不稳定性分析理论

2.4 光波分裂理论

2.5 本章小结

第3章 SESAM锁模皮秒光纤激光器的研究

3.1 SESAM结构与特性

3.1.1 概述

3.1.2 光学性质

3.1.3 光纤型SESAM

3.2 基于SESAM锁模的窄带耗散孤子理论与实验研究

3.2.1 数值模拟

3.2.2 实验研究

3.2.3 激光器噪声性能

3.3 低重复率窄带皮秒光纤激光器

3.3.1 概述

3.3.2 实验研究

3.4 高重复率皮秒激光器

3.5 本章小结

第4章皮秒脉冲光纤放大关键技术研究

4.1 皮秒脉冲的重复频率调控和能量提升

4.1.1 结构方案

4.1.2 脉冲拾取

4.1.3 能量提升研究

4.2 基于光谱整形的近变换限制皮秒脉冲光纤放大器

4.2.1 理论分析

4.2.2 实验验证

4.3 非线性皮秒脉冲光纤放大器

4.3.1 数值模拟

4.3.2 实验研究

4.4 本章小结

第5章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 路桥

导师: 毛庆和

关键词: 皮秒脉冲,耗散孤子,被动锁模光纤激光器,光纤放大器,非线性光纤光学

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

基金: 国家重点研发计划(2017YFB0405100,2017YFB0405200),中国科学院战略性先导科技专项项目(B类)(XDB21010300)

分类号: TN24

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