高功率飛秒光纖激光及其相干合成技術(shù)研究.pdf

1、高能量密度物理研究是當(dāng)今國際上基礎(chǔ)物理科學(xué)研究的重要前沿領(lǐng)域，其中激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變和激光等離子體加速器是重要的研究分支。目前，基于光纖激光相干放大網(wǎng)絡(luò)概念建造高能高功率激光驅(qū)動(dòng)器是未來重要的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管國內(nèi)外相關(guān)研究仍處于初步探索階段，但是研究人員普遍認(rèn)為高平均功率線偏振飛秒光纖啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification，CPA）系統(tǒng)和相干合成技術(shù)是未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。不僅如此，相干合

2、成技術(shù)在高功率光纖飛秒光學(xué)頻率梳、非線性脈沖壓縮以及阿秒光學(xué)等領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用價(jià)值。相干合成技術(shù)方案眾多，其中相干偏振合成技術(shù)在功率提升的同時(shí)可以保持良好的光束質(zhì)量，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硗?，飛秒光纖振蕩器及線偏振飛秒光纖CPA系統(tǒng)是相干偏振合成實(shí)現(xiàn)的重要前提和基礎(chǔ)。基于此，本文以飛秒光纖激光相干偏振合成技術(shù)為主要研究對(duì)象，系統(tǒng)開展了全正色散腔被動(dòng)鎖模全光纖振蕩器及其功率放大、全光纖線偏振飛秒CPA系統(tǒng)以及飛秒光纖激光相干偏振合成系統(tǒng)

3、的研究。論文主要內(nèi)容如下：
　　一、首先開展了全正色散腔被動(dòng)鎖模全光纖振蕩器的研究。第一，實(shí)驗(yàn)研究了全正色散腔被動(dòng)鎖模光纖振蕩器的光波分裂現(xiàn)象，并成功實(shí)現(xiàn)了耗散孤子諧振鎖模，完全抑制了光波分裂的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了大能量方波脈沖輸出，實(shí)驗(yàn)上說明了耗散孤子諧振鎖模的多穩(wěn)定性以及輸出方波脈沖的壓縮特性，結(jié)果表明這種方波脈沖具有較大的非線性啁啾，無法被線性色散補(bǔ)償器件去啁啾，限制了其在 CPA系統(tǒng)中的應(yīng)用。第二，通過優(yōu)化器件參數(shù)，基于全正色散腔

4、被動(dòng)鎖模光纖振蕩器實(shí)現(xiàn)了低閾值功率的1.0-1.3μm全光纖級(jí)聯(lián)拉曼連續(xù)譜光源。第三，基于非保偏光纖器件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了1.06μm波段線偏振耗散孤子飛秒全光纖振蕩器，成功抑制了1.03μm波段放大的自發(fā)輻射，實(shí)現(xiàn)了脈寬為387 fs的飛秒脈沖輸出，可以作為飛秒光纖CPA系統(tǒng)及其相干偏振合成系統(tǒng)的理想種子激光。其次，基于搭建的耗散孤子諧振鎖模全光纖振蕩器，分別設(shè)計(jì)了非保偏與保偏光纖放大器，先后實(shí)現(xiàn)了240W/36kW和174W/38.5kW

5、的高平均/峰值功率非線偏振和線偏振納秒方波脈沖輸出。最后，實(shí)驗(yàn)研究了類噪聲脈沖全光纖振蕩器，并且國際上首次對(duì)其進(jìn)行了高功率放大，實(shí)現(xiàn)了423W/314kW的高平均/峰值功率的皮秒脈沖輸出。
　　二、從理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面，系統(tǒng)研究了全光纖線偏振飛秒CPA系統(tǒng)。首先，分析了全光纖飛秒CPA系統(tǒng)設(shè)計(jì)在信號(hào)光參數(shù)選取、脈沖展寬器、光纖放大器以及脈沖壓縮器等方面的問題，指出基于高摻雜大模場雙包層摻鐿光纖建立全光纖結(jié)構(gòu)的飛秒CPA系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)飛

6、秒光纖激光平均功率提升的一條切實(shí)可行的途徑。其次，建立了飛秒光纖CPA系統(tǒng)簡潔的解析理論模型，理論分析表明正群延遲色散和三階色散可以與非線性相移相互補(bǔ)償，利用這一效應(yīng)可以一定程度上突破B積分的限制，實(shí)現(xiàn)更高功率的飛秒光纖激光輸出。最后，分別搭建了基于單模光纖和啁啾光纖布拉格光柵展寬的全光纖線偏振飛秒非線性CPA系統(tǒng)，應(yīng)用色散與非線性相移的相互補(bǔ)償效應(yīng)，分別實(shí)現(xiàn)了平均功率119W/300W、脈寬352fs/344fs、峰值功率4.2MW/

7、11MW的高平均功率、線偏振（消光比優(yōu)于13dB）、近衍射極限（M2<1.3）的飛秒激光輸出，為國際上已報(bào)道的最高平均功率的線偏振飛秒光纖CPA系統(tǒng)。
　　三、建立了飛秒光纖激光相干偏振合成系統(tǒng)合成效率的解析理論模型，著重分析了時(shí)域及頻域因素對(duì)系統(tǒng)合成效率的影響，首次給出了對(duì)應(yīng)不同時(shí)域及頻域因素的解析表達(dá)式。理論分析表明光程差是影響系統(tǒng)合成效率最為明顯的因素，當(dāng)飛秒脈沖中心波長?0為1064nm、3dB光譜寬度為13nm時(shí)，約14

8、?0的光程差引起系統(tǒng)合成效率下降5％；當(dāng)各路功率一致時(shí)，自相位調(diào)制效應(yīng)的影響與光譜寬度無關(guān)，僅依賴于B積分差?B的值，當(dāng)?B達(dá)到0.6弧度時(shí)，系統(tǒng)合成效率下降5%；當(dāng)3dB光譜寬度有限時(shí)，群延遲色散對(duì)系統(tǒng)合成效率的影響相對(duì)較小，對(duì)于0?為1064nm、3dB光譜寬度為13nm的飛秒脈沖，光纖長度失配0.2m所引入的群延遲色散失配導(dǎo)致系統(tǒng)合成效率下降2%。基于理論分析，首次提出了多層級(jí)的全光纖光程差主動(dòng)控制方法，分析了不同的鎖相技術(shù)，闡述

9、了光譜相位的控制策略。
　　四、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了全光纖光程差自適應(yīng)控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明系統(tǒng)可以完全補(bǔ)償±60?0內(nèi)的光程差漂移，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。搭建了兩路10瓦級(jí)飛秒光纖激光相干偏振合成系統(tǒng)，采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了時(shí)域及頻域因素對(duì)系統(tǒng)合成效率的影響，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了理論模型的正確性。基于有效的系統(tǒng)主動(dòng)控制和優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了兩路10瓦級(jí)的飛秒光纖激光相干偏振合成，系統(tǒng)合成效率為96%，合成飛

10、秒脈沖脈寬為467fs。搭建了兩路高功率飛秒光纖激光相干偏振合成系統(tǒng)，合成光束平均功率達(dá)到313W，合成飛秒脈沖脈寬為827fs，為當(dāng)前國際上全光纖結(jié)構(gòu)飛秒光纖激光相干合成系統(tǒng)輸出的最高平均功率。盡管由于激光模式惡化，系統(tǒng)合成效率僅為79%，但是進(jìn)一步提高單路性能，該系統(tǒng)仍具有很大的功率提升潛力。
　　論文通過系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，充分認(rèn)識(shí)了飛秒光纖激光相干合成中的新問題，在光程差控制技術(shù)方面有新突破，填補(bǔ)了全光纖結(jié)構(gòu)飛秒光纖激光