被动锁模光纤激光器中的孤子参量调控研究

论文摘要

超短脉冲激光在工业、军事和医学等领域有非常多的应用,例如激光加工、激光手术、太赫兹波的产生、光学成像和超连续谱的产生等。而被动锁模光纤激光器由于紧凑的结构、低廉的价格、稳定的工作状态以及能产生高质量超短脉冲的特点被广泛地应用于这些领域。本论文对被动锁模光纤激光器中的孤子参量调控进行了研究和分析。通过调整被动锁模光纤激光器的结构和参数,实现了对激光器输出孤子类型、孤子脉冲宽度、孤子中心波长以及孤子间距的调控,论文的主要内容如下:1.在被动锁模的掺铒和掺铥光纤激光器中分别实现了1.55μm和2μm波段传统孤子、展宽脉冲和耗散孤子的输出,并在同一个光纤激光器中实现了传统孤子和展宽脉冲的转换输出。首先,通过搭建负色散、近零色散和正色散的单壁碳纳米管锁模掺铒和掺铥光纤激光器,分别得到了1.55μm和2μm波段三种不同类型的孤子。其次,设计了一个色散略小于零的光纤激光器,并在腔内引入非线性偏振旋转滤波效应,调节腔内的偏振控制器可以改变滤波的带宽进而改变孤子脉冲的展宽因子。当展宽因子足够大时,激光器输出展宽脉冲;当展宽因子足够小时,激光器则输出传统孤子。2.通过色散管理实现了对孤子脉冲宽度的调控,并且在一个被动锁模的掺铒光纤激光器中实现了脉冲宽度相差近20倍的两种孤子同时输出。首先,通过逐步减少单壁碳纳米管锁模光纤激光器腔内单模光纤的长度,实现了对激光器腔内色散的管理,得到了多种脉冲宽度不同的孤子。另外,设计了一个独特的被动锁模光纤激光器,脉冲在腔内有两种不同的传输路径,经历的色散分别为?2.23 ps2和?0.259 ps2。因此,当两种脉冲同时锁模时,它们的脉冲宽度差别较大,分别为19.4 ps和1.2 ps。3.基于双折射滤波效应和具有宽带可饱和吸收性的锁模器件,在掺铒光纤激光器中实现了中心波长调谐范围高达63 nm的锁模脉冲,并在掺铥光纤激光器中实现了孤子波长32 nm的调谐。一方面,使用具有宽带可饱和吸收特性的黑磷作为掺铒光纤激光器的锁模器件,并在腔内引入偏振相关隔离器来增强双折射滤波效应,调节腔内的偏振控制器,孤子的中心波长可在1529 nm到1592 nm范围内调谐。数值模拟验证了实验结果,证明了波长的调谐是由PC引起的相位移动导致的。另一方面,通过调节单壁碳纳米管锁模掺铥光纤激光器中的偏振状态,得到了中心波长可在1892 nm到1924 nm范围内调谐的孤子脉冲。增加泵浦功率并进一步调节腔内的偏振状态,光纤激光器还可以输出两种不同的双波长孤子脉冲。4.基于法布里-珀罗微腔在被动锁模的掺铒光纤激光器中得到了多种间距锁定在4.7 ps的束缚态孤子。改变腔内的偏振状态,孤子之间的强度比可以被连续地调节,直到激光器进入单脉冲锁模状态。束缚态孤子光谱的实时演化过程说明激光器是直接从准连续光状态进入的束缚态,而没有经过单脉冲锁模状态和脉冲分裂过程。我们也对本实验进行了数值模拟,模拟结果和实验结果基本相符,进一步说明了间距锁定束缚态孤子的产生是由法布里-珀罗微腔导致的。

论文目录

摘摘要要

abstract

第1章绪论

1.1 光纤激光器概述

1.2 锁模光纤激光器的基本原理及分类

1.2.1 锁模的基本原理

1.2.2 锁模光纤激光器的分类

1.2.3 输出孤子类型

1.3 被动锁模光纤激光器的锁模器件及研究进展

1.3.1 被动锁模光纤激光器的锁模器件

1.3.2 被动锁模光纤激光器的研究进展

1.4 本章小结

第2章被动锁模光纤激光器中脉冲的传输方程及数值分析方法

2.1 光纤的基本特性

2.1.1 光纤的色散

2.1.2 光纤的非线性

2.2 脉冲在光纤中的传输方程

2.3 传输方程的数值分析方法

2.4 数值模拟脉冲的演化过程

2.5 本章小结

第3章被动锁模光纤激光器中不同类型孤子的产生

3.1 引言

3.2 1.55 μm波段的不同类型孤子

3.2.1 1.55 μm波段的传统孤子

3.2.2 1.55 μm波段的展宽脉冲

3.2.3 1.55 μm波段的耗散孤子

3.3 2 μm波段不同类型孤子

3.3.1 2μm光纤激光器泵浦源的搭建

3.3.2 2μm波段的传统孤子

3.3.3 2μm波段的展宽脉冲

3.3.4 2μm波段的耗散孤子

3.4 传统孤子与展宽脉冲同腔输出

3.5 本章小结

第4章基于色散管理的孤子脉冲宽度调控

4.1 引言

4.2 飞秒孤子脉冲的产生

4.3 不同脉冲宽度孤子同时输出

4.4 本章小结

第5章基于双折射滤波效应的孤子波长调谐

5.1 引言

5.2 1.55 μm波段的波长可调谐孤子

5.2.1 BP-SA的制备与表征

5.2.2 实验装置及原理

5.2.3 实验结果及分析

5.2.4 数值模拟及分析

5.3 2μm波段的波长可调谐孤子

5.3.1 实验装置及原理

5.3.2 实验结果及分析

5.4 本章小结

第6章基于F-P微腔的束缚态孤子间距锁定

6.1 引言

6.2 间距锁定的束缚态孤子锁模

6.3 束缚态孤子的形成动力学过程

6.4 基于薛定谔方程的数值模拟及分析

6.5 本章小结

第7章总结和展望

7.1 本论文的主要研究成果

7.2 对未来工作的展望

参考文献

附录

致谢

作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李文磊

导师: 赵卫

关键词: 超短脉冲,光纤激光器,锁模,孤子脉冲

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

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: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TN248

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000066

总页数: 107

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