全正色散光纖激光器及其自動鎖模研究.pdf

1、與調(diào)Q和直接電驅(qū)動方式獲得的激光脈沖相比，鎖模脈沖的脈寬更窄，因此被廣泛應(yīng)用于非線性顯微成像、超連續(xù)譜產(chǎn)生、光學(xué)頻率梳、太赫茲波產(chǎn)生、材料精密加工等領(lǐng)域。相比于鎖模固體激光器，鎖模光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、閾值低、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱性能好等優(yōu)勢，因此得到了廣泛的研究。獲得高脈沖能量一直是鎖模光纖激光器的重要研究方向。傳統(tǒng)的孤子鎖模光纖激光器的單脈沖能量由于受到孤子面積理論的限制僅能達(dá)到0.1 nJ。利用色散圖設(shè)計(jì)的展寬脈沖型光纖激光器可以將

2、脈沖能量提升到nJ量級。進(jìn)一步提高脈沖能量，就需要工作在自相似和全正色散機(jī)制下，其中全正色散光纖激光器不需要色散補(bǔ)償，易于調(diào)節(jié)，脈沖能量較高，因此受到了廣泛的關(guān)注。
　　非線性偏振旋轉(zhuǎn)是一種等效的可飽和吸收體，具有波長不敏感、響應(yīng)時間快、損傷閾值高、長時間光照不退化等優(yōu)點(diǎn)，因此在各種類型的脈沖光纖激光器中得到廣泛應(yīng)用。本文正是針對基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的全正色散光纖激光器的工作特性進(jìn)行的研究，主要研究內(nèi)容如下:
　　1.概述

3、了脈沖在光纖中傳輸時滿足的脈沖傳輸方程，包括普通光纖中的非線性薛定諤方程、增益光纖中的金茲堡-朗道方程和雙折射光纖中的耦合模方程。給出了脈沖傳輸方程的數(shù)值求解步驟，提出了一種線偏振表象法求解耦合模方程，并驗(yàn)證了該方法的正確性。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，與常用的圓偏振表象法相比，線偏振表象法允許選取較大的步長以加快計(jì)算速度，節(jié)省計(jì)算時間。
　　2.從耦合的金茲堡-朗道方程出發(fā)，結(jié)合波片和偏振片的瓊斯矩陣，理論推導(dǎo)出一個光譜透過率公式。該公式

4、表明由于光纖雙折射整個激光器可以看成一個等效的濾光片。濾光片的峰值透射波長、調(diào)制深度和平均透過率可以通過旋轉(zhuǎn)波片進(jìn)行調(diào)節(jié)，而濾光片的帶寬隨光纖雙折射的增加而減小。利用該等效的濾光片可用于實(shí)現(xiàn)光纖激光器的波長調(diào)諧和多波長運(yùn)轉(zhuǎn)。利用線偏振表象法數(shù)值求解了不同光纖雙折射下的耦合金茲堡-朗道方程，結(jié)果表明光纖雙折射越大，激光器的穩(wěn)定范圍越小，因此在激光器設(shè)計(jì)中需考慮雙折射的影響。
　　3.提出了一種交叉熔接方法來補(bǔ)償保偏光纖的雙折射，詳細(xì)

5、介紹了利用該方法的激光器設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)步驟，從而構(gòu)建了一個基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的保偏光纖環(huán)形激光器，數(shù)值模擬了該激光器的工作特性，結(jié)果表明利用該方法可以獲得穩(wěn)定的耗散孤子，否則將不能得到穩(wěn)定脈沖。實(shí)驗(yàn)中將拍數(shù)NB補(bǔ)償?shù)搅?5，得到了單脈沖能量為2.1 nJ的穩(wěn)定耗散孤子。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了若采用對軸熔接，則腔內(nèi)只有連續(xù)光和弱調(diào)制現(xiàn)象而無法得到鎖模脈沖。
　　4.設(shè)計(jì)了一個1μm波段的磁光偏振控制器。為了給磁光晶體提供足夠強(qiáng)的可調(diào)磁場，制

6、作了一個由硅鋼和銅線圈構(gòu)成的磁軛結(jié)構(gòu)，測量了其磁場強(qiáng)度與電流之間的關(guān)系。利用此磁光偏振控制器構(gòu)建了全正色散光纖激光器，研究了激光器的調(diào)Q鎖模機(jī)制和連續(xù)鎖模機(jī)制，獲得了平均功率213 mW、單脈沖能量3.34 nJ的耗散孤子。測試了激光器的長期穩(wěn)定性，結(jié)果表明在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)5個小時內(nèi)激光器未出現(xiàn)失鎖的情況，光譜無明顯變化，功率抖動僅0.6％。
　　5.研究了被動鎖模光纖激光器的自動鎖模技術(shù)，提出了一種新型的自動鎖?？刂品椒ǎ到y(tǒng)地分析了

7、該方法的原理、狀態(tài)判據(jù)和實(shí)現(xiàn)方法，理論和實(shí)驗(yàn)分析了雙折射濾光片一級反射光的特性。利用該方法實(shí)現(xiàn)了基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的全正色散光纖激光器的自動鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光器可以在幾分鐘內(nèi)從任意狀態(tài)恢復(fù)到穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)，鎖模狀態(tài)時激光器輸出的脈沖為耗散孤子。
　　6.研究了基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的全正色散光纖激光器中的類噪聲脈沖現(xiàn)象，當(dāng)激光器中不放置雙折射濾光片時獲得了類噪聲脈沖輸出。在泵浦功率11.3 W時輸出功率達(dá)到了4.3 W