掺镱超快光纤激光器研究

摘要

超短脉冲光纤激光器作为超快激光器的重要组成部分，以其特有的优势，越来越受到广大研究者的关注，已广泛应用于工业精细加工，精密光谱学，医学成像，国防军工等领域。以锁模光纤激光器加啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification,CPA）技术，结合大模场增益光纤，是目前实现高功率超快光纤激光输出的主要手段。本论文重点开展了掺镱超快光纤激光放大以及频率变换的研究。主要的研究内容和取得的创新性成果如下： 1.基于非线性偏振演化锁模原理，搭建了全正色散掺镱光纤激光器，实现稳定的自启动锁模。得到重复频率49.5MHz，平均功率75.4mW，光谱范围1063±7.7nm，脉冲宽度4.6ps的输出。经腔外压缩后脉冲宽度为80fs，接近傅里叶变换极限。 2.搭建了色散管理掺镱光纤激光器，实现重复频率75MHz，平均功率50mW，光谱范围1040±14nm，脉冲宽度1.3ps的超短脉冲输出。频谱信噪比高于70dB，且在较宽射频范围（-10–460MHz）内均有较好的频谱质量。以该激光器为基础，通过重新设计机械元件和器件分布，搭建了工程化样机，将整机尺寸缩小到20×20×10cm3。在不同湿度，温度和振动环境下，均能实现长时间稳定运行，证明了样机的可靠性。 3.开展了基于啁啾脉冲放大技术的全光纤放大系统的研究。以工程化的色散管理掺镱光纤振荡器作为前级，经单模光纤展宽，三级保偏放大，压缩器压缩，得到光谱范围1042±5.2nm，重复频率75MHz，脉冲宽度170fs，最大输出功率12W的超短脉冲激光。以此为基础，分别以铌酸锂和偏硼酸钡非线性晶体进行频率变换，获得了最大输出功率为5.6W的521nm绿光以及330mW的261nm紫外光，对应的二倍频与四倍频转换效率分别为46.5%和12.2%。其中二倍频输出的4小时功率抖动小于0.16%（均方根）。 4.以大模场掺镱光子晶体光纤作为主放大级增益介质，使用特殊设计的啁啾光纤布拉格光栅（Chirped Fiber Bragg Grating，CFBG）进行超短脉冲展宽-压缩匹配，引入频率选择模块降低重复频率，将全光纤保偏啁啾脉冲放大系统的输出单脉冲能量提升至32μJ。最终得到了光谱范围1038±5.5nm，脉冲宽度153fs，重复频率1MHz的超短脉冲输出。对应最大峰值功率为0.21GW，输出光束M2因子分别为1.3和1.4（水平和竖直方向）。在输出功率为21.5W时，系统的24小时功率稳定性为0.64%。并且研究了偏振消光比和脉冲宽度以及输出功率间的关系，测量了中心波长，光谱宽度在系统不同位置处的变化情况。

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