超快光纖激光器及其動力學(xué)特性研究.pdf

1、超短脈沖光纖激光器有著廣泛的應(yīng)用,可以用于時分復(fù)用和波分復(fù)用系統(tǒng),光梳,生物光學(xué),電光采樣等,并且不斷地在開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。近些年來,超短脈沖光纖激光器不斷發(fā)展,很多相關(guān)課題值得研究。本文主要研究被動鎖模摻鉺光纖激光器,主要包括飛秒激光器的動力學(xué)研究及高能量脈沖的產(chǎn)生等。主要研究成果如下：
　?、爬帽粍渔i模光纖激光器研究金茲堡-朗道方程不同解之間的轉(zhuǎn)換。首次發(fā)現(xiàn)在同一臺激光器中可以實現(xiàn)三種不同脈沖的輸出。實驗發(fā)現(xiàn)在凈色散為正的色

2、散管理激光器中,通過調(diào)節(jié)激光器的參數(shù),如泵浦功率和偏振條件,可以在同一臺激光器中輸出色散管理孤子,自相似子及耗散孤子。不同的脈沖種類可以通過光譜進行區(qū)分。我們還進一步研究了當腔內(nèi)凈色散接近于0時,激光器不同脈沖之間的轉(zhuǎn)換特性。實驗發(fā)現(xiàn),此時激光器可以產(chǎn)生色散管理孤子和自相似子脈沖。同時我們還對該現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬研究,模擬結(jié)果和實驗吻合的很好。
　?、蒲芯苛撕纳⒐伦蛹す馄髦械恼{(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象及應(yīng)用。調(diào)制不穩(wěn)定性會使耗散孤子的光譜出

3、現(xiàn)邊帶。這些邊帶的性質(zhì)和凱利邊帶有很大的不同,邊帶的位置和泵浦功率及腔內(nèi)的線性相位有關(guān)。另外,這些邊帶在時域上使脈沖出現(xiàn)了底座,降低了脈沖的質(zhì)量。實驗發(fā)現(xiàn)可以通過激光器本身含有的濾波器來消除這種底座得到質(zhì)量更高的脈沖。同時還發(fā)現(xiàn),該邊帶可以用來測激光器的色散。我們用這種方法測量了兩臺激光器的色散值,實驗測得的結(jié)果和實際值很接近,證明了這種方法的可行性。這種方法可以用來進一步測量光纖器件的色散,比傳統(tǒng)的方法更加簡單方便。
　　⑶通過

4、色散補償技術(shù),成功地在通信波段設(shè)計出全光纖耗散孤子超短脈沖光纖激光器,脈寬達到了78.9 fs,能量4.6 nJ,峰值功率超過50 kW,該峰值功率可以和普通的啁啾放大系統(tǒng)相比擬。這一系列指標都是國際領(lǐng)先的。同時該激光器是全光纖結(jié)構(gòu),具有重要的應(yīng)用前景。另外,還將此激光器應(yīng)用于啁啾放大系統(tǒng)之中,簡化了啁啾放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),得到了11.3 nJ的脈沖。
　　⑷在耗散孤子激光器中發(fā)現(xiàn)了束縛態(tài)現(xiàn)象,同時首次在摻鉺光纖激光器中發(fā)現(xiàn)了耗散孤子

5、脈沖的諧波鎖?，F(xiàn)象。束縛態(tài)實驗中,我們觀察到了2到5個脈沖的束縛態(tài)。脈沖的間隔和泵浦功率及偏振控制器有關(guān)。諧波鎖?，F(xiàn)象中,我們觀察到了2到10階諧波鎖模信號。10階諧波鎖模信號的重復(fù)頻率是232 MHz,這是耗散孤子激光器中的最高頻率,該信號可以壓縮到153 fs,單脈沖能量為0.5 nJ。
　　⑸通過對被動鎖模摻鉺光纖激光器的諧振腔進行優(yōu)化,最終在全光纖摻鉺激光器中得到了51 nJ,284 fs的脈沖。如此高能量的飛秒脈沖遠遠領(lǐng)

6、先于同類激光器的相關(guān)指標。該激光器得益于優(yōu)化了腔長和耦合器輸出系數(shù),同時利用雙向泵浦增加了泵浦功率。另外,正常色散鉺纖的使用也有助于減小腔內(nèi)的色散,進而縮短脈寬。該激光器工作在大的負色散區(qū)域,這從根本上限制了脈寬。通過色散補償光纖可以進一步減小脈沖的寬度到160 fs。我們還從實驗上證明了腔內(nèi)不可見的濾波器對脈沖譜寬的影響。
　　⑹設(shè)計了一種基于兩種鎖模機制的超短脈沖光纖激光器。實驗得到了128 fs的超短脈沖,這是在光纖負色散區(qū)

7、得到的最短脈沖。得益于脈沖的超短脈寬,雖然激光器工作在負色散區(qū),但是脈沖沒有凱利邊帶。通常,八字腔鎖模需要長的激光諧振腔。本實驗中,利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)作為輔助鎖模機制,我們的八字腔激光器的腔長僅有12 m,這在目前八字腔中是最短的,其重復(fù)頻率是16 MHz。
　?、嗽O(shè)計了一種基于啁啾光柵的全光纖孤子激光器。傳統(tǒng)的方法采用拉長孤子激光器的諧振腔來增加脈沖的能量,不僅降低了激光器的重復(fù)頻率,還降低了激光器的穩(wěn)定性。啁啾光柵的長度在毫米

8、量級但是色散量很大,可以用來增加孤子脈沖的能量。與拉長激光器腔長增加脈沖能量的方法相比,該方法不僅提高了脈沖的重復(fù)頻率還提高了激光器的穩(wěn)定性。脈沖能量達到了4.8 nJ,脈寬為4.4 ps,重復(fù)頻率16.6 MHz。得益于全光纖結(jié)構(gòu),該激光器可以自啟動。
　?、虒⒆韵嗨泼}沖作為種子源,應(yīng)用到啁啾放大系統(tǒng)中。該系統(tǒng)得到了4.1 nJ,75.6 fs幾乎無底座的高質(zhì)量脈沖。和一般種子光是孤子的啁啾放大系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)得到的脈沖質(zhì)量有很

9、大的改善,脈沖光譜光滑且脈沖無底座。同時,我們首次證明了自相似脈沖的光譜寬度和放大器的增益成指數(shù)關(guān)系,這和國外學(xué)者的理論結(jié)果一致?；谶@一性質(zhì),我們從理論和實驗上證明了自相似脈沖的脈寬可以通過泵浦功率進行調(diào)節(jié)。
　　⑼設(shè)計了一臺基于孤子自頻移現(xiàn)象的被動鎖模光纖激光器。該激光器通過非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模,鎖模產(chǎn)生的脈沖由于拉曼散射的作用,在激光器內(nèi)部產(chǎn)生了孤子自頻移現(xiàn)象。該激光器產(chǎn)生的脈沖的中心波長遠離增益介質(zhì)的中心波長,打破了增益介質(zhì)