光子晶体光纤锁模激光器腔内动力学过程的优化研究

摘要

光纤锁模激光器因其低廉的成本、紧凑的结构、对工作环境要求低等特性而受到研究者的青睐，然而光纤小的纤芯尺寸导致的高非线性限制了其性能的提高，因而传统光纤锁模激光器的输出性能一直落后于固体激光器。大模场面积光子晶体光纤锁模激光器从出现至今两年的时间里，其某些输出指标已经赶上甚至超过固体激光器，如脉冲能量、平均功率等，推动了飞秒激光技术的普及化应用。本论文对这种激光器腔内脉冲传输的动力学过程进行了数值模拟和实验研究，优化了激光器输出结果，主要内容包括以下几个方面：
　　 1.设计并搭建了大模场面积光子晶体光纤孤子锁模激光器样机，输出功率在400mW至800mW之间，输出脉冲的重复频率为46.22MHz，对应最大单脉冲能量约为17nJ，脉宽480fs，信噪比大于75dB。
　　 2.将光谱滤波机制引入展宽脉冲锁模域，实现了一种获得高质量脉冲的新的混合锁模机制。数值模拟分析了滤波孤子锁模的动力学过程，脉冲的展宽压缩和光谱滤波同时控制着脉冲窄化。实验获得了脉宽376fs、能量约为8nJ的无基底结构的高质量脉冲。
　　 3.实验获得了大模场面积光子晶体光纤激光器在近零色散点的展宽脉冲束缚态锁模运转。数值模拟分析了展宽脉冲锁模建立过程，研究了多脉冲束缚态的产生和特点，得出由于锁模建立过程中半导体可饱和吸收镜(SESAM)对初始噪声的随机提取导致了不同束缚态的结论。并提出了抑制束缚态的方法，模拟得出此项技术可直接获得的最大单脉冲能量为19.6nJ，脉宽可压缩至76fs，考虑到40％左右的压缩损耗，单脉冲能量为11.8nJ。数值模拟结果与实验很好地符合。
　　 4.研制了一种基于掺Yb3+的双包层大模场面积偏振光子晶体光纤的耗散孤子锁模激光器。利用数值模拟分析了光纤激光器中耗散孤子动力学过程，并发现光谱滤波的耗散过程是稳定锁模机制的主导因素，滤波片能够在频域和时域同时窄化脉冲，并且去除脉冲啁啾，限制脉冲在腔内始终小于1ps。实验上获得了无色散补偿腔中直接输出脉冲宽度777fs，最高平均功率达到1W，重复频率48.27MHz，对应单脉冲能量20nJ的飞秒激光。

目录

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第一章绪论

1.1飞秒激光技术

1.2飞秒激光发展

1.3光子晶体光纤飞秒激光器

1.4本论文的主要工作

第二章锁模光纤激光器的基本理论和数值模拟

2.1超短脉冲在光纤中的传输方程

2.1.1基本传输方程

2.1.2分步傅立叶方法

2.2影响脉冲在光纤中传输的主要因素

2.2.1色散

2.2.2非线性

2.2.3增益

2.3数值模拟

2.3.1参数量化

2.3.2数值模型

2.4小结

第三章色散补偿的展宽脉冲锁模激光器

3.1引言

3.2偏振型大模场面积光子晶体光纤

3.3色散补偿的展宽脉冲锁模激光器样机

3.3.1样机装置

3.3.2样机运转性能

3.4无边带孤子锁模激光器

3.4.1实验研究

3.4.2模拟分析

3.5近零色散展宽脉冲锁模激光器的束缚态运转

3.5.1实验研究

3.5.2模拟分析

3.6小结

第四章全正色散的耗散孤子锁模激光器

4.1引言

4.2数值模拟

4.3实验

4.4小结

第五章总结与展望

5.1工作总结

5.2工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢