全正色散光纤激光器及其自动锁模研究

摘要

与调Q和直接电驱动方式获得的激光脉冲相比，锁模脉冲的脉宽更窄，因此被广泛应用于非线性显微成像、超连续谱产生、光学频率梳、太赫兹波产生、材料精密加工等领域。相比于锁模固体激光器，锁模光纤激光器具有转换效率高、阈值低、结构紧凑、散热性能好等优势，因此得到了广泛的研究。获得高脉冲能量一直是锁模光纤激光器的重要研究方向。传统的孤子锁模光纤激光器的单脉冲能量由于受到孤子面积理论的限制仅能达到0.1 nJ。利用色散图设计的展宽脉冲型光纤激光器可以将脉冲能量提升到nJ量级。进一步提高脉冲能量，就需要工作在自相似和全正色散机制下，其中全正色散光纤激光器不需要色散补偿，易于调节，脉冲能量较高，因此受到了广泛的关注。
　　非线性偏振旋转是一种等效的可饱和吸收体，具有波长不敏感、响应时间快、损伤阈值高、长时间光照不退化等优点，因此在各种类型的脉冲光纤激光器中得到广泛应用。本文正是针对基于非线性偏振旋转锁模的全正色散光纤激光器的工作特性进行的研究，主要研究内容如下:
　　1.概述了脉冲在光纤中传输时满足的脉冲传输方程，包括普通光纤中的非线性薛定谔方程、增益光纤中的金兹堡-朗道方程和双折射光纤中的耦合模方程。给出了脉冲传输方程的数值求解步骤，提出了一种线偏振表象法求解耦合模方程，并验证了该方法的正确性。数值计算结果表明，与常用的圆偏振表象法相比，线偏振表象法允许选取较大的步长以加快计算速度，节省计算时间。
　　2.从耦合的金兹堡-朗道方程出发，结合波片和偏振片的琼斯矩阵，理论推导出一个光谱透过率公式。该公式表明由于光纤双折射整个激光器可以看成一个等效的滤光片。滤光片的峰值透射波长、调制深度和平均透过率可以通过旋转波片进行调节，而滤光片的带宽随光纤双折射的增加而减小。利用该等效的滤光片可用于实现光纤激光器的波长调谐和多波长运转。利用线偏振表象法数值求解了不同光纤双折射下的耦合金兹堡-朗道方程，结果表明光纤双折射越大，激光器的稳定范围越小，因此在激光器设计中需考虑双折射的影响。
　　3.提出了一种交叉熔接方法来补偿保偏光纤的双折射，详细介绍了利用该方法的激光器设计思路和设计步骤，从而构建了一个基于非线性偏振旋转锁模的保偏光纤环形激光器，数值模拟了该激光器的工作特性，结果表明利用该方法可以获得稳定的耗散孤子，否则将不能得到稳定脉冲。实验中将拍数NB补偿到了35，得到了单脉冲能量为2.1 nJ的稳定耗散孤子。实验验证了若采用对轴熔接，则腔内只有连续光和弱调制现象而无法得到锁模脉冲。
　　4.设计了一个1μm波段的磁光偏振控制器。为了给磁光晶体提供足够强的可调磁场，制作了一个由硅钢和铜线圈构成的磁轭结构，测量了其磁场强度与电流之间的关系。利用此磁光偏振控制器构建了全正色散光纤激光器，研究了激光器的调Q锁模机制和连续锁模机制，获得了平均功率213 mW、单脉冲能量3.34 nJ的耗散孤子。测试了激光器的长期稳定性，结果表明在连续运转5个小时内激光器未出现失锁的情况，光谱无明显变化，功率抖动仅0.6％。
　　5.研究了被动锁模光纤激光器的自动锁模技术，提出了一种新型的自动锁模控制方法，系统地分析了该方法的原理、状态判据和实现方法，理论和实验分析了双折射滤光片一级反射光的特性。利用该方法实现了基于非线性偏振旋转锁模的全正色散光纤激光器的自动锁模运转，实验结果表明激光器可以在几分钟内从任意状态恢复到稳定的锁模状态，锁模状态时激光器输出的脉冲为耗散孤子。
　　6.研究了基于非线性偏振旋转锁模的全正色散光纤激光器中的类噪声脉冲现象，当激光器中不放置双折射滤光片时获得了类噪声脉冲输出。在泵浦功率11.3 W时输出功率达到了4.3 W，光-光转换效率为38％，脉冲包络的能量为104 nJ，3dB带宽为47.8 nm。研究了类噪声脉冲的光谱和输出功率随泵浦功率的变化情况。利用耦合的金兹堡-朗道方程模拟了激光器在类噪声脉冲机制下的输出特性，得到了与实验结果一致的结论。
　　7.将新型自动锁模控制方法应用到了类噪声脉冲光纤激光器中，当腔内放入带宽约25 nm的Lyot型双折射滤光片时，利用滤光片滤出的光作为反馈信号，实现了类噪声脉冲的自动锁模运转。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2．1 传统孤子光纤激光器

1．2．2 色散管理孤子光纤激光器

1．2．3 自相似脉冲光纤激光器

1．2．4 耗散孤子光纤激光器

1．2．5 其他类型的锁模脉冲

1．3 光纤激光器的被动锁模技术

1．3．1 非线性偏振旋转

1．3．2 非线性光学／放大环形镜

1．3．3 材料型可饱和吸收体

1．4 本文的主要内容

参考文献

第二章 脉冲传输方程及其数值解法

2．1．1 脉冲在普通光纤中的传输方程

2．1．2 脉冲在增益光纤中的传输方程

2．1．3 数值解法

2．2 耦合模方程及其数值解法

2．2．1 耦合模方程

2．2．2 数值解法1——圆偏振表象法

2．2．3 数值解法2——线信振表象法

2．2．4 两种数值解法的比较

2．3 本章小结

参考文献

第三章 光纤双折射对全正色散光纤激光器的影响

3．1 全正色散光纤激光器的结构

3．2 理论分析

3．3 数值模拟

3．4 本章小结

参考文献

第四章 全正色散保偏光纤环形激光器

4．1 交叉熔接方法

4．2 数值模拟

4．2．1 数值模型

4．2．2 模拟结果

4．2．3 熔接角度偏差的影响

4．2．4 光纤长度偏差的影响

4．3 实验研究

4．4 本章小结

参考文献

第五章 基于磁光偏振控制器的全正色散激光器的研究

5．1 磁光偏振控制器的原理及设计

5．2 实验结构

5．3 实验结果

5．4 本章小结

参考文献

第六章 耗散孤子光纤激光器自动锁模方法的研究

6．1 自动锁模方法的实验结构及原理

6．1．1 实验结构

6．1．2 双折射晶体的一级反射光

6．1．3 自动锁模控制方法

6．2 实验结果

6．3 讨论

6．4 本章小结

参考文献

第七章 类噪声脉冲光纤激光器及自动锁模技术的研究

7．1 类噪声脉冲光纤激光器的研究

7．1．1 实验装置

7．1．2 实验结果和讨论

7．1．3 数值模拟

7．2 类噪声脉冲光纤激光器自动锁模技术的研究

7．2．1 实验装置

7．2．2 自动锁模原理

7．2．3 实验结果

7．3 本章小结

参考文献

第八章 总结与展望

8．2 论文主要创新点

8．3 未来工作展望

致谢

攻读博士学位期间参与的项目、获得的奖励及发表的论文

附两篇已发表的论文