基于长周期光纤光栅的全正色散掺镱光纤激光器研究

摘要

锁模激光器在基础科学、光通信、测量等领域得到了广泛的应用。许多重要的科学研究和技术应用都需要窄脉宽、高能量、高峰值功率超短脉冲。全正色散(ANDi)锁模光纤激光器，由于其腔型结构简单、脉冲能量高和峰值能量高成为近年来研究高能超短脉冲激光器的热点。本文围绕ANDi掺镱光纤系统展开研究，主要目的是实现ANDi系统的全光纤化、多功能化和实用化，并在此基础上对ANDi系统本身的特性进行研究。本文的主要研究工作及创新如下：
　　 1．利用级联长周期光纤光栅(C-LPFG)作为全光纤结构的光谱滤波器，在全正色散掺镱光纤激光腔中，得到了稳定的重复频率为41.736MHz;输出脉宽为408fs（光栅压缩后），最大脉冲能量为2.03nJ(最大输出能量为84.7mW)飞秒级的锁模激光脉冲输出。其中，C-LPFG起到了脉冲压缩、脉冲稳定和光谱整形的作用，C-LPFG是由CO2激光器制作成的两段LPFG级联而成。
　　 2．利用C-LPFG作为全光纤结构的光谱滤波器，成功实现了低重复频率、巨啁啾的被动锁模激光脉冲输出。输出脉冲宽度实现了从2.62ns～315ps的可调谐。在最大泵浦功率530mW时，实现了重复频率为2.5435MHz、最大单脉冲能量为49.5nJ、脉宽为2.62ns的巨啁啾被动锁模脉冲。
　　 3．首次在ANDi腔中，观察到了稳定的三阶谐波飞秒锁模脉冲掺镱光纤激光器。基于非线性偏振演化(NPE)效应，利用C-LPFG作为光谱滤波器，实现了重复频率为125.39MHz的三阶谐波锁模飞秒激光脉冲。其中，脉冲能量为0.36nJ，脉冲宽度为2.5ps，经过腔外压缩，脉冲可达到310fs。
　　 4．实现了稳定的、可调谐的、具有纳秒脉宽的高阶ANDi掺镱被动谐波锁模光纤激光器。谐波锁模阶次最高可达14阶（重复频率为35.497MHz），这是在ANDi系统中，目前报道所知的最高阶次的谐波锁模。利用75m的激光腔长，实现了谐波阶次的连续可调谐，可调谐范围为基频(2.538MHz)～14阶次谐波(35.479MHz)。在最大泵浦功率530mW条件下，实现了超模抑制比为23dB、脉冲宽度为1.23ns、最大单脉冲能量为0.97nJ的14阶谐波锁模脉冲输出。进一步说明了高阶谐波的产生不仅与激光的泵浦功率有关，而且还与腔内的色散值（光纤的长度）有关，并通过实验验证得到了最高为21阶次的谐波锁模脉冲。
　　 5．在掺镱ANDi腔中，观察到了耗散孤子共振(DSR)现象，即：脉冲的形状为方形，脉冲的宽度随着能量增大而无限制的增加，而脉冲的幅度不发生改变。分别使用75m的激光腔长度和123m激光腔长度进行DSR实验，分别得到了最大脉宽为2.55ns和13.1ns的耗散孤子。发现DSR效应下，孤子脉宽不仅与泵浦功率有关，还与激光腔体长度有关。激光腔长度越长，通过增加泵浦功率得到的耗散孤子脉宽越宽。
　　 6．利用相移长周期光纤光栅(PS-LPFG)作为全光纤结构的光谱滤波器，实现了输出锁模脉冲波长的可调谐。通过调节PS-LPFG，分别实现了脉冲激光和连续激光的波长可调谐输出，可调谐范围分别为10.5nm和11.4nm。在泵浦功率为530mw的条件下，得到了平均功率为～97mW最大锁模脉冲输出和～124mW的最大连续光输出，同时实现了锁模脉冲的脉宽的可调谐，调谐范围为3.6ns～1.2ns。波长调谐的过程中，激光器始终工作在锁模状态。
　　 7．使用全光纤结构的PS-LPFG，在ANDi系统中，首次实现了可开关双波长被动锁模激光脉冲输出。泵浦功率为530mW时，得到了功率最高的双波长锁模脉冲输出。其中，单脉冲能量为25.76nJ，脉宽为310ps，重复频率为2.499MHz。
　　 8．使用全光纤结构的PS-LPFG作为光谱滤波器，在ANDi系统中，实现了可调谐的双波长被动锁模脉冲输出。双波长锁模脉冲的可调谐仅仅通过调节PS-LPFG的曲率就可以实现，每一个波长的可调谐范围为~10nm。同时在掺镱ANDi系统中，首次观察到了三波长锁模脉冲输出，得到了最大的三波长锁模脉冲输出能量(～64mW)。