大模场面积光子晶体光纤高功率放大自相似锁模激光器的研究

摘要

自1964年第一台光纤激光器发明以来，在随后的几十年中，随着光纤拉制技术的不断成熟，光纤激光器以其独特的优势迅速发展起来。使用大模场面积的光子晶体光纤锁模激光器，在输出高功率高能量的超短脉冲上具有独特的优势，其体积小、操作简单、稳定性好的优点对其实现应用化提供了得天独厚的条件，吸引了越来越多的光学科研工作者来探究。本文主要基于一种新的腔内动力学过程——放大自相似脉冲演化，结合光子晶体光纤的优点，搭建了一台高功率放大自相似锁模激光器。通过对放大自相似脉冲成型机制的理论研究和腔内动力学过程的数值模拟，为实验提供了很好的理论依据，最终获得了直接输出功率为数瓦，单脉冲能量为数十纳焦，脉冲宽度为数十飞秒的超短脉冲输出。本论文的工作主要概括为如下几个部分:
　　1.介绍了超短脉冲以及光纤锁模激光器的发展历程，并且阐述了自相似锁模激光器的发展历程和近况。
　　2.介绍了脉冲在光纤中传输的理论模型和自相似脉冲解的理论推导，在理论上解释了抛物线自相似的特点。使用Matlab模拟了自相似锁模脉冲在腔内的动力学演化过程以及激光器的输出参数，并且采用广义ABCDGH光束传输矩阵理论对光栅窄带滤波器进行了模拟，为后续的实验研究提供了理论指导。
　　3.实验研究了一种新型的高功率光子晶体光纤放大自相似锁模激光器，激光器工作在全正色散域内，使用非线性偏振旋转锁模以及一个窄带高斯光栅滤波器实现脉冲整形，最终获得了最高输出功率5W，单脉冲能量69nJ，重复频率72MHz的超短脉冲输出，该脉冲直接输出脉宽为1.699ps，经过一对光栅压缩后为84fs，接近于变换极限的脉宽，实验结果和数值模拟结果相符。该激光器功率是截至目前基于光子晶体光纤放大自相似锁模激光器在全正色散域内获得的最高输出功率。实验中还可以调整光栅，实现中心工作波长的连续可调。实验结果证明了该激光器具有线性啁啾的自相似脉冲，在输出能量增加的同时可以避免了光波分裂，对于获得了高能量、窄脉宽的超短脉冲有着重要的发展前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超短脉冲激光概述

1．2 超短脉冲光纤激光器的发展

1．2．1 发展历史

1．2．2 光纤激光器的发展

1．2．3 自相似锁模激光器的发展

1．3 本论文的主要工作及创新

第二章 自相似锁模振荡器的理论模型

2．1 脉冲在光子晶体光纤中的传输方程

2．1．1 麦克斯韦方程组

2．1．2 自相似子的抛物线型渐进解

2．2 影响脉冲在光纤中传输的因素分析

2．2．1 增益和损耗

2．2．2 色散

2．2．3 非线性效应

2．3 光纤激光器中的脉冲整形机制

2．3．1 可饱和吸收体

2．3．2 耗散机制

2．4 本章小结

第三章 自相似锁模的数值模拟和腔内动力学过程

3．1 放大自相似锁模激光器的数值模型

3．2 数值模型的参数选择

3．3 放大自相似锁模的腔内动力学过程

3．3．1 光纤增益的影响

3．3．2 滤波器带宽的影响

3．3．3 增益光纤内动力学过程的分析

3．4 光栅窄带滤波器的数值模拟

3．5 本章小结

第四章 全正色散放大自相似锁模激光器的实验研究

4．1 全正色散放大自相似锁模激光器的实验装置

4．2 实验结果和分析

4．2．1 功率和重复频率分析

4．2．2 脉冲宽度和光谱分析

4．2．3 光束质量分析

4．3 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 本文工作总结

5．2 存在问题和展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢