超低時(shí)間抖動(dòng)光纖飛秒激光振蕩器及其應(yīng)用研究.pdf

1、光纖飛秒激光器輸出的超短脈沖序列具有極低的時(shí)間抖動(dòng)，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，對(duì)工作環(huán)境不敏感，易于操作和維護(hù)，是前沿應(yīng)用中低噪聲脈沖激光源的首選。隨著飛秒激光器噪聲理論的發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域的研究者對(duì)時(shí)間抖動(dòng)的特點(diǎn)及影響有了更加深入的認(rèn)識(shí)。平衡光學(xué)互相關(guān)方法的出現(xiàn)，使得光纖飛秒激光器時(shí)間抖動(dòng)在實(shí)驗(yàn)中的精確測(cè)量和優(yōu)化成為了可能。本論文以降低摻鐿光纖飛秒激光器的量子極限時(shí)間抖動(dòng)水平為目的，圍繞激光器腔內(nèi)動(dòng)力學(xué)過程對(duì)輸出脈沖序列時(shí)域位置的影響進(jìn)行了

2、一系列理論和實(shí)驗(yàn)的研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于摻鐿光纖飛秒激光器的飛行時(shí)間法絕對(duì)距離測(cè)量和低抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)提取研究。論文主要內(nèi)容概括如下：
　　一、從非線性薛定諤方程和金茲伯格-朗道方程入手，結(jié)合準(zhǔn)三能級(jí)增益介質(zhì)中放大自發(fā)輻射噪聲的半經(jīng)典理論模型，建立了計(jì)算摻鐿單模光纖飛秒激光器時(shí)間抖動(dòng)水平的數(shù)值模型。在此基礎(chǔ)上，通過改變飛秒激光器腔內(nèi)凈色散、濾波情況及濾波器帶寬等主要參數(shù)，結(jié)合不同狀態(tài)下脈沖在腔內(nèi)的演化過程，對(duì)影響飛秒激光器時(shí)間抖

3、動(dòng)水平的主要因素進(jìn)行了系統(tǒng)地計(jì)算與分析。
　　二、在實(shí)驗(yàn)中搭建了基于平衡光學(xué)互相關(guān)方法的時(shí)間抖動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，以低時(shí)間抖動(dòng)的呼吸孤子鎖模飛秒激光器為參考，通過將待測(cè)激光器的重復(fù)頻率同步到參考激光器，對(duì)前者在不同參數(shù)下的時(shí)間抖動(dòng)水平進(jìn)行了系統(tǒng)地測(cè)量，分辨率達(dá)到了阿秒量級(jí)。在此基礎(chǔ)上，通過在腔內(nèi)加入帶寬7.7nm的窄帶光譜濾波器，實(shí)現(xiàn)了放大自發(fā)輻射噪聲間接耦合時(shí)間抖動(dòng)成分的抑制，將光纖飛秒激光器在不同凈色散下的時(shí)間抖動(dòng)水平穩(wěn)定在0.6fs

4、～1.1fs的范圍內(nèi)，相應(yīng)的積分區(qū)間為[10kHz，10MHz]。
　　三、以單臺(tái)摻鐿光纖飛秒激光器為光源，結(jié)合平衡光學(xué)互相關(guān)系統(tǒng)，搭建了基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的飛行時(shí)間法任意長(zhǎng)絕對(duì)距離測(cè)量系統(tǒng)，并通過將激光器腔長(zhǎng)鎖定到待測(cè)距離的整數(shù)倍分之一來獲得待測(cè)距離信息。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)，對(duì)約為52m的待測(cè)距離進(jìn)行了測(cè)量，在1s的平均時(shí)間內(nèi)獲得了12nm的測(cè)量精度。當(dāng)待測(cè)距離為零時(shí)，上述系統(tǒng)在1s平均時(shí)間內(nèi)的極限精度為4nm。
　　四、

5、搭建了基于低時(shí)間抖動(dòng)飛秒激光器和平衡光學(xué)互相關(guān)的高精度時(shí)鐘信號(hào)接收系統(tǒng)，以參考激光器輸出的脈沖序列模擬低噪聲的“主時(shí)鐘”信號(hào)，在本地進(jìn)行了低抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)提取的原理性演示實(shí)驗(yàn)。在優(yōu)化接收系統(tǒng)中飛秒激光器腔內(nèi)色散和鎖模狀態(tài)的基礎(chǔ)上，通過電光調(diào)制器進(jìn)一步抑制了激光器時(shí)間抖動(dòng)引入的殘余時(shí)間誤差，鎖定帶寬達(dá)到了400kHz。在[1Hz，10MHz]的頻率區(qū)間內(nèi)，整個(gè)信號(hào)接收系統(tǒng)的分辨率達(dá)到了13as，其相對(duì)于“主時(shí)鐘”信號(hào)的殘余時(shí)間誤差降低到了1