掺镱光纤光学频率梳及飞秒光纤放大器的研究

摘要

飞秒光学频率梳凭借优异的频率稳定性，已广泛应用于高精密光谱学、计量学、绝对距离测量、基本物理常数测量及光频标等研究领域。针对如此重要的研究工具，本文重点开展了掺镱光纤光学频率梳的搭建及应用研究，并以提高光纤光学频率梳的平均功率为目的，开展了高重复频率、高平均功率的飞秒光纤放大器的研究。
　　本论文的主要研究内容和取得的创新结果有以下方面：
　　1.基于非线性偏振旋转锁模技术，开展了掺镱光纤振荡器的实验研究。首先利用色散管理机制，通过调节光栅对的间距使谐振腔内的净色散量处于近零区域，实现了重复频率为124 MHz，光谱覆盖范围为950~1150 nm的锁模脉冲输出；经过腔外压缩，最终实现了脉宽为32 fs的超短脉冲输出；其次针对非线性偏振旋转锁模光纤振荡器操作及维护比较复杂的缺点，自行研制了一套自动锁模控制器，其工作原理为：由光电探测器得到的电信号被输送至自动锁模控制器中进行信号处理、逻辑判定等过程后产生反馈控制信号；反馈控制信号控制谐振腔内的三个波片以不同速度旋转，当计数判据与谐波判据的逻辑同时为“真”时，获得了稳定的锁模脉冲输出，锁模状态的寻找过程用时小于90 s，成功率接近100％。
　　2.基于 SESAM锁模技术，开展了掺镱全保偏光纤振荡器的实验研究。利用啁啾光纤布拉格光栅提供负色散，用于补偿谐振腔内光纤及其它元器件所引入的正色散，使腔内的净色散量约为+6000 fs2；当泵浦功率为310 mW时，实现了重复频率为67.8 MHz的自相似锁模脉冲输出。
　　3.基于自建的222 MHz掺镱飞秒光纤激光器，开展了光学频率梳的实验研究。首先将压缩后的脉冲耦合进入一段拉细区直径为3μm、长度为9 cm的拉锥单模光纤中进行光谱扩展，获得了覆盖范围为500~1500 nm的倍频程超连续光谱；接着利用f-2f自参考技术，探测到了信噪比为44 dB，3 dB线宽为110 kHz的CEO信号；最终使用锁相环电路将frep及fCEO同时锁定到微波参考源上，锁定后的frep的频率抖动为0.7 mHz，100 s门时间下的阿伦方差为2.26×10-13/τ1∕2，fCEO的频率抖动为3.9 mHz，100 s门时间下的阿伦方差为1.97×10-11/τ1∕2。
　　4.为了满足双光梳测距等应用的要求，开展了250 MHz高重复频率掺镱光纤光学频率梳的研究。首先基于非线性偏振旋转锁模技术，经过优化振荡器的结构设计，搭建了一套重复频率可以大于300 MHz的掺镱光纤振荡器，并成功在谐振腔内插入了 EOM晶体及光楔等元件；接着同样利用拉锥单模光纤进行光谱扩展，获得了良好的倍频程超连续光谱，同时经过优化耦合光路的结构设计大大增加了整个光学频率梳系统的长期稳定性；最后采用 f-2f自参考技术，探测到了信噪比大于30 dB的CEO信号。
　　5.利用自建的250 MHz掺镱光纤光学频率梳，开展了40Ca+离子42S1/2－32D5/2钟跃迁频率绝对测量的研究。首先以振荡器的45%输出路为种子源，采用啁啾脉冲放大技术，搭建了一套非保偏光纤放大器，经过光栅对压缩后脉冲的平均功率为4.4 W，最窄脉宽为174 fs；接着将压缩脉冲耦合进一段的高非线性光子晶体光纤中进行光谱扩展，获得了包含729 nm成分的超连续光谱；随后利用锁相环电路对超稳激光在光纤中传输时引入的相位噪声进行了补偿，经过补偿后由50 m长的光纤引入的频率展宽量小于100 mHz；最后利用掺镱光纤光学频率梳对729 nm超稳激光的频率进行了绝对测量，初步探测到了信噪比约为10 dB的拍频信号。
　　6.为了提高光纤光学频率梳的平均功率，开展了高重复频率飞秒光纤放大器的实验研究。首先基于非线性偏振旋转锁模技术，搭建了一套掺镱光纤振荡器，当谐振腔内的净色散量为+4000 fs2时，实现了重复频率为49.5 MHz，平均功率为35 mW的自相似锁模脉冲输出；接着以自相似锁模的掺镱光纤振荡器为种子源，开展了飞秒全保偏光纤放大器的研究，采用啁啾脉冲放大技术，经过两级光纤放大及光栅压缩后，最终获得了平均功率为3 W，脉宽为101 fs的脉冲输出。

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第一章 绪论

1.1光学频率梳的研究进展及应用

1.2掺镱飞秒光纤放大器的研究进展

1.3本论文的研究内容与意义

1.4论文研究来源

第二章 掺镱光纤振荡器的实验研究

2.1光纤激光器锁模的基本原理

2.2基于非线性偏振旋转锁模掺镱光纤振荡器的实验研究

2.3自动锁模掺镱光纤振荡器的实验研究

2.4基于SESAM锁模掺镱全保偏光纤振荡器的实验研究

2.4本章小结

第三章 基于拉锥单模光纤掺镱光纤光学频率梳的研究

3.1掺镱光纤振荡器及低功率飞秒光纤放大器的搭建

3.2基于拉锥单模光纤超连续光谱产生的实验研究

3.3载波包络相移信号的探测

3.4重复频率与载波包络相移频率锁定的研究

3.5本章小结

第四章 利用掺镱光纤光学频率梳实现绝对频率测量的研究

4.1引言

4.2 250 MHz掺镱光纤光学频率梳的搭建

4.3基于PCF产生包含729 nm成分超连续光谱的实验研究

4.4钙离子42S1/2－32D5/2钟跃迁频率绝对测量的研究

4.5本章小结

第五章 掺镱飞秒光纤放大器的研究

5.1自相似锁模掺镱光纤振荡器的实验研究

5.2飞秒全保偏光纤放大器的实验研究

5.3 50W预啁啾脉冲全保偏光纤放大器的方案研究

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1本论文的主要内容与结论

6.2进一步工作展望

参考文献

致谢

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