基于光纤飞秒激光技术的相干合成获得少周期飞秒脉冲

摘要

少周期飞秒脉冲是目前飞秒激光技术研究的前沿热点之一，其脉冲宽度仅包含几个光学周期，在分子动力学、强场物理、非线性成像、阿秒科学等领域有着广泛的应用。飞秒激光脉冲的相干合成将两束或者多束高度相干的飞秒脉冲进行时间和空间的叠加，可以实现任意光谱拼接，同时实现能量合束，是产生少周期飞秒激光脉冲的有效手段。光纤飞秒激光器具有结构简单、长期稳定性好、输出功率高、抗干扰能力强的优点，能够稳定输出几十飞秒和数瓦量级的飞秒脉冲，作为相干合成的脉冲种子源有很大优势。本文提出了基于一台光纤飞秒激光器，利用近变换极限基态孤子与自频移孤子相干合成产生少周期飞秒激光脉冲的方案，系统研究了飞秒激光脉冲非线性控制、双路飞秒光相干合成等内容：
　　1.利用 MATLAB建立了飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的非线性频率变换以及孤子相干叠加的数值模型，用数值方法系统研究了分裂获得的高阶孤子相干合成，获得了脉冲宽度近7 fs（2个光学周期）、谱宽近一个倍频程的飞秒激光脉冲输出，验证了基于自频移孤子的相干合成获得少周期飞秒脉冲的可行性。
　　2.为了提高自频移孤子的稳定性，提出了利用双零色散点光子晶体光纤产生自频移孤子。实验研究了飞秒激光脉冲在15 cm长的双零色散点光子晶体光纤中非线性频率变换的动力学过程，实现了中心波长1200 nm，脉宽34 fs的窄脉冲输出。为了提高输出孤子脉冲的能量，提出采用全固光子带隙光纤，由于该种光纤的光子带隙导光机理可以提供较大的纤芯面积的同时保证零色散点的位置，可以大大提高输出自频移孤子的能量，而且光子带隙效应可以在一定程度上稳定自频移孤子的中心波长。实验中利用了一款自行设计并拉制的全固光子带隙光纤实现了中心波长1150 nm，脉宽55 fs的高平均功率自频移孤子输出。
　　3.双路飞秒激光相干合成的实验中，将全固光子带隙光纤产生的1150 nm，55 fs的自频移孤子与1040 nm，62 fs的基态孤子相干叠加，获得了脉宽14 fs（包含四个光学周期）的少周期量级超短脉冲，平均功率大于30 mW。该方案由于采用了全固光子带隙光纤，提高了输出自频移孤子的能量，同时实验装置简化，系统稳定性很高，能够有效拓宽光谱、窄化脉冲，实现少周期飞秒脉冲输出。

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第一章 绪论

1.1 飞秒激光技术

1.2 光子晶体光纤及其应用

1.3 少周期飞秒激光技术

1.4 本文主要工作

第二章 飞秒脉冲在非线性光纤中传输的相关理论

2.1 脉冲在光纤中传输的数学描述

2.2 影响脉冲传输的因素

2.3 光孤子

2.4 本章小结

第三章 飞秒激光脉冲相干合成数值分析

3.1 数学模型

3.2 计算结果与分析

3.3 本章小结

第四章 基于自频移孤子的相干合束实验研究

4.1 双零色散点光子晶体光纤中的脉冲传输实验研究

4.2 基于全固光子带隙光纤中自频移孤子的相干合成

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢