高重复频率、宽光谱飞秒光纤激光器研究

摘要

飞秒光纤激光器主要应用在光模数转换系统、飞秒激光频率梳产生、光学任意波形产生和光学相干断层扫描等方面，并在新的应用领域中发挥重要作用。这主要得益于飞秒光纤激光器体积小、成本低、易操作、能量转换效率高和稳定性好等优点。目前，对飞秒光纤激光器的研究主要向满足实际应用需求的方向发展，其中，高重复频率超短脉冲光纤激光器的研究是国际热点之一。
　　本文主要研究如何优化飞秒光纤激光器的输出脉冲特性，涉及到重复频率、光谱宽度、脉冲宽度以及时间抖动等指标。论文的主要工作和取得的成果如下：
　　第一，根据被动锁模光纤激光器的物理模型，建立了数值仿真平台，并对基于非线性偏振旋转（NPR）锁模的光纤激光器和基于NPR和半导体可饱和吸收镜（SESAM）混合锁模的光纤激光器进行了数值仿真，包括锁模建立过程中脉冲时域波形和光谱的演化，锁模建立后光纤激光器输出脉冲的波形和光谱形状，以及在谐振腔中循环时脉冲和光谱的演化过程。
　　第二，通过对色散和非线性效应的协同优化，实现了一种高重复频率、宽光谱锁模飞秒光纤激光器，激光器通过NPR实现被动锁模。该激光器基频重复频率大于200MHz，锁模最大平均输出功率为84.8mW，输出脉冲宽度为56.5fs，能量转换效率为12.1％，单脉冲能量为0.42nJ，脉冲峰值功率超过7kW。通过调节谐振腔内波片和泵浦光功率，进一步研究了激光输出脉冲的光谱演化特性。该光纤激光器可以直接产生脉宽为44.6fs的输出脉冲和宽度（半高全宽，FWHM）为148nm的平坦光谱，这种激光器在基于波分复用（WDM）的超高速光采样系统中有重要应用需求。通过利用SF10棱镜在激光腔外对脉冲进行压缩，在不改变光谱宽度的前提下，得到最窄的脉冲宽度为34.3fs。
　　第三，通过实验证实了利用腔内带通滤光片（BPF）能够有效改善宽谱NPR锁模飞秒光纤激光器的时间抖动。分析和比较了谐振腔内没有BPF和有BPF时光纤激光器的脉冲输出特性。当谐振腔内使用40nm带宽的BPF时，激光器的时间抖动从29.9fs减小到17.4fs（1kHz-10MHz），改善幅度高达42%。这主要是因为BPF的滤波效应降低了量子噪声导致的光频率平均位置的波动。腔内加入BPF后激光器输出脉冲的重复频率为201MHz，脉冲宽度为73.9fs，光谱宽度为61.4nm。这种高重复频率、低时间抖动宽谱光纤激光器有望成为高速高精度光学模数转换系统的理想光源。
　　第四，有效结合NPR和SESAM两种锁模方式，实现了一种混合锁模掺铒光纤激光器。其中NPR用来整形超短脉冲，SESAM用来自启和稳定锁模。激光器锁模输出脉冲的基频重复频率为212MHz，光谱宽度为61.4nm。脉冲宽度为41.9fs，接近理论的变换极限，且时域脉冲波形两侧没有出现脉冲底座或者子脉冲。当泵浦光功率为700mW时，激光器平均输出功率为65mW，对应的单脉冲能量为0.31nJ。实验结果与理论数值仿真结果吻合较好。激光器能够自启锁模且能稳定运行30小时以上。这种高重复频率超短脉冲光纤激光器有望成为光学模数转换器和光学频率梳产生等的理想光源。
　　第五，通过NPR和SESAM两种锁模方式实现自启和稳定锁模，同时在谐振腔中对色散和非线性效应进行协同优化，实现了一种可调的谐波混合锁模光纤激光器。通过调节腔内波片和注入到谐振腔的泵浦光功率，2次（167MHz）到8次（667MHz）之间的谐波锁模均能实现。对于最高的重复频率，输出脉冲的光谱宽度为181nm，脉冲宽度为218fs，通过外腔去啁啾，脉冲宽度可以压缩到91fs。激光器的平均输出功率为136mW，SMSR大于60dB。对于4次谐波锁模（333MHz），激光器的输出脉冲压缩后最小宽度为73fs。在谐波锁模状态下，对光纤激光器的输出特性连续监控9个小时，发现激光器仍能维持稳定的谐波锁模，且脉冲输出特性基本不发生改变。这种高重复频率宽带脉冲光纤激光器有望成为光学模数转换器、生物成像以及光学相干断层扫描系统的理想光源。

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第1章 绪 论

1.1 论文研究背景

1.2 锁模光纤激光器的分类

1.3 高重复频率、宽光谱飞秒光纤激光器的国内外研究现状

1.4 论文的研究目标及研究思路

1.5 本文结构安排及主要内容

1.6 本章小结

第2章 锁模光纤激光器的基本原理与理论模型

2.1 锁模的基本原理

2.2 锁模光纤激光器中光纤的特性

2.3 锁模光纤激光器的工作机制

2.4 被动锁模光纤激光器的理论模型

2.5 本章小结

第3章 高重复频率宽谱光纤激光器中的色散管理与非线性优化

3.1 背景介绍

3.2 色散管理与非线性优化原理及实现方案

3.3 色散管理与非线性优化的特性分析

3.4 色散管理和非线性优化后的外腔压缩

3.5 本章小结

第4章 高重复频率宽谱光纤激光器中的时间抖动改善

4.1 背景介绍

4.2 时间抖动及测量方法

4.3 时间抖动改善的实现方案

4.4 滤波效应对时间抖动改善的实验验证

4.5 滤波效应对时间抖动改善的理论分析

4.6 本章小结

第5章 高重复频率宽谱光纤激光器中的混合锁模技术

5.1 背景介绍

5.2 混合锁模光纤激光器的实现方案

5.3 混合锁模光纤激光器的脉冲输出特性

5.4 本章小结

第6章 高重复频率宽谱光纤激光器中的高次谐波锁模

6.1 背景介绍

6.2 谐波锁模光纤激光器的基本原理

6.3 高次谐波锁模光纤激光器的实现方案

6.4 谐波锁模光纤激光器的脉冲输出特性

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文及专利

致谢

答辩决议书