锁模光纤激光系统产生高功率高能量飞秒脉冲的研究

摘要

随着科学技术的发展,各种应用对更高单脉冲能量的超短脉冲光纤锁模激光器提出了要求。基于掺镱(Yb)大模场面积光子晶体光纤构建高功率高能量激光器是一种非常有效的解决方案,本论文基于上述光纤通过利用光纤中的非线性偏振旋转(NPR)效应的等效饱和吸收作用实现被动锁模,避免了以往半导体饱和吸收镜易受热影响而遭到破坏这一不利因素,构建成功了几种能够直接输出瓦量级平均功率、对应百纳焦耳量级单脉冲能量的锁模光纤激光器,同时对相应激光器进行了动力学过程的研究。另一方面,针对光纤放大系统开展了时间和空间整形的研究,提高了放大系统输出脉冲的质量。本论文的工作可以概括为以下几个部分。
　　1.简要介绍了锁模光纤激光器发展的历史,并阐述了锁模光纤激光器所涉及的各种物理效应以及相应的求解腔内脉冲动力学过程的数值计算方法。
　　2.基于高斯光束的ABCD矩阵方法分别设计了两种基于多通单元(MPC)的高耦合效率光纤激光谐振腔,且按照理论设计构建了相关的激光器,实验结果非常吻合理论预期。
　　3.利用第2部分设计的基于MPC的高耦合效率光纤激光谐振腔,分别在正色散域和负色散域内成功构建了输出高功率、高脉冲能量的飞秒激光器。其中,在全正色散域内所构建的耗散孤子锁模激光器能够输出的单脉冲能量高达314 nJ(平均功率4.9 W),腔外压缩后的脉宽达到75 fs,对应峰值功率达到3 MW;进一步基于此进行了腔外脉冲的展谱和压缩工作,获得了能量为64 nJ、脉宽为25 fs的脉冲(平均功率1 W),对应峰值功率超过2 MW。在负色散域内所构建的的放大相似子锁模光纤激光器能够输出的单脉冲能量达到137 nJ(平均功率2.1 W),去啁啾后的脉宽达到44 fs,对应峰值功率达到了2 MW。
　　4.设计了一种基于光纤的集成化贝塞尔光束整形器,并以此构建了能够直接输出贝塞尔脉冲的高能量、高功率光纤放大系统。该系统直接输出的最高功率达到18.7 W、对应脉冲能量为329 nJ的贝塞尔脉冲。通过在系统内对种子光进行简单的滤波整形,能够获得非常干净的去啁啾脉冲,且脉宽达到38 fs,脉冲能量达到248 nJ,对应的峰值光强达到10 GW/cm2量级。
　　5.针对光纤放大系统中遇到的高阶色散不易匹配问题,设计了一种基于GT镜多通单元和光栅对的矢量色散补偿方案以补偿放大系统输出脉冲的高阶色散啁啾。该补偿系统有效抑制了高功率高能量光纤激光放大系统输出脉冲的非线性啁啾基底,并获得了脉宽44 fs、单脉冲能量531 nJ、峰值功率超过10.8MW的超短脉冲。

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第一章 绪论

1.1 锁模光纤激光器

1.2 锁模光纤激光振荡器的研究进展

1.3 选题的意义、研究内容和主要创新点

第二章 锁模光纤激光器的理论基础及数值模拟

2.1 脉冲在光纤内的非线性传输方程

2.2 分步付立叶方法

2.3 锁模光纤激光器中的物理过程以及数值模拟

第三章 基于多通单元的腔耦合设计

3.1 高斯光束与多通单元

3.2 基于多通单元的线型腔耦合设计

3.3 基于多通单元的环型腔耦合设计

第四章 正色散域内的高能量锁模光纤激光振荡器

4.1 高能量全正色散耗散孤子锁模光纤激光器

4.2 全正色散锁模光纤啁啾脉冲振荡器

第五章 负色散域内的高能量锁模光纤激光振荡器

5.1 孤子锁模光纤激光振荡器

5.2 负色散域内的放大相似子光纤激光振荡器

第六章 时空整形的高功率光纤激光放大系统

6.1 空间整形的贝塞尔脉冲光纤激光系统

6.2 时间整形的高阶色散补偿系统

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

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