多芯光子晶体光纤飞秒激光系统及其在频率变换中的应用

摘要

光纤激光器以其结构紧凑、抗干扰性好、光束质量高等优势成为近几年来超快激光技术的研究热点。但是传统光纤纤芯模场面积较小，光纤激光器的功率提升受到非线性的严重限制。本论文以提升光纤激光器和放大器的性能为宗旨，围绕多芯光子晶体光纤展开了系统研究。数值模拟了多芯光子晶体光纤的结构和模式特性，实验建立了基于多芯光子晶体光纤的锁模激光器和放大器，并开展了高功率飞秒激光器在频率变换中的应用研究。论文主要工作如下：
　　 1、首次提出并设计了一种混合型多芯光子晶体光纤，实现了同相位超模模式整形并且远场保持高斯分布。同时，此光纤的同相位超模在任何功率水平下都具有最高的增益系数，为克服现有多芯光子晶体光纤同相位超模选取困难提供了一个新的技术途径。
　　 2、基于掺镱18芯大模场面积光子晶体光纤，建立了全正色散锁模的光纤激光器，首次实现了多芯光子晶体光纤激光器的锁模运转。获得了3.3W的高平均功率锁模脉冲输出，噪声的抑制比达到70 dB；通过在腔内引入多通镜，将单脉冲能量提升至180nJ，脉冲宽度经腔外光栅对压缩为690fs。
　　 3、利用掺镱保偏大模场面积光子晶体光纤和7芯光子晶体光纤，建立了飞秒激光二级放大系统，首次实现了飞秒激光在多芯光子晶体光纤中的放大传输。获得了平均功率24 W，重复频率1MHz，经光栅对压缩后脉冲宽度110 fs，脉冲峰值功率150 MW的脉冲输出，该峰值功率为基于非线性放大原理的光纤放大器最高值。基于18芯光子晶体光纤，获得了平均功率50 W，重复频率50 MHz，经光栅对压缩后脉冲宽度为80fs的脉冲输出。并建立数值模型分析了多芯光纤实现相位自锁定的机理。
　　 4、基于掺镱大模场面积光子晶体光纤飞秒激光放大器，并将传统单模光纤与高非线性光子晶体光纤低损耗熔接，大大提高了超连续光谱的功率。产生了6.2 W的超连续光谱，这是当时基于飞秒激光产生的最高超连续光谱功率。
　　 5、提出并实现利用光学晶体和光子晶体光纤作为非线性介质，对高功率飞秒激光脉冲进行可调谐频率变换的一种新技术。在短波方面，利用BBO晶体对高功率超连续光谱倍频，得到了510～660nm的宽带可调谐输出；在长波方面，利用全固带隙型光子晶体光纤，基于孤子自频移原理，得到了调谐范围宽达1160～1260nm的飞秒孤子源，其中中心波长1260nm处的孤子，平均功率高达320mW，对应脉冲能量为6.4 nJ，脉冲宽度为84 fs。这两种调谐方法具有操作简单、调谐范围宽的独特优势。