超强、超快光纤激光系统及种子源研究

摘要

近年来，高功率被动锁模光纤激光器以其简单可靠、低成本、高稳定性等优点，在工业加工等领域应用越来越广泛。以稳定的锁模脉冲光纤激光器作为种子源，结合啁啾脉冲放大方式是产生高功率超快光纤激光器的方式之一。本论文主要围绕拉曼辅助锁模光纤激光器进行展开，研究了该激光器的相关特性，并在此激光器基础上稍加改动作为高功率超快光纤激光系统的种子源，实验上实现了基于主振荡器-功率放大器(MOPA)结构的超强、超快光纤激光系统。
　　具体研究成果如下:
　　1、基于Liangjia Zong等人的实验方法，实验测量了1550nm处的色散参量D值约为17.23ps/(nm·km)，与实际值基本吻合。色散斜率dD(λ)/dλ为0.0591ps/(nm2*km)，误差为5.72％，也基本可以接受;同时我们还测量了1.0μm的光在SMF28e光纤中的色散值。
　　2、实验研究拉曼辅助锁模光纤激光器，将7.5m长的高非线性光纤引入到掺镱NPR锁模激光器腔内，在较短的腔长下（约10.5m）获得了有拉曼存在下的稳定宽光谱锁模。从实验结果可以看出:光谱有明显的双峰结构，主峰的中心波长为1040.16nm，拉曼峰的中心波长为1086.31nm，两峰间隔为46.15nm，光谱的20dB带宽超过64.04nm，信噪比高达77dB。通过腔外滤波的方式证明了拉曼部分不是以噪声形式存在，而是参与非线性偏振旋转(NPR)锁模运转，拉曼增益在腔内起到了拓展锁模光谱范围和Yb增益带宽的作用。
　　3、实验研究基于MOPA结构的超强、超快光纤激光系统，在第三章所述激光器基础上稍作改动，缩短腔长限制拉曼效应。该激光器重复频率为27.55MHz，光谱3dB带宽约为20.56nm，脉冲周期为16.993ps，时间带宽积ΔvΔT≈93.28。以此激光器作为高功率超快激光系统的种子源，实验上已经成功实现了平均功率40W的脉冲激光输出。种子源初始脉宽为16.993ps，经长光纤展宽至1.13ns，再经光栅对压缩至26.611ps，压缩比例达到42.5倍。以此激光系统烧灼金属和玻璃材料，在显微镜下可以观察到材料表面有明显的烧灼痕迹。
　　本论文的主要创新点:
　　1、提出并实现了利用7.5m长的高非线性光纤在约10.5m长的掺镱NPR锁模光纤激光器中产生了在有拉曼存在下的稳定宽光谱锁模。并且证明了拉曼不是噪声，而是参与NPR锁模运转，拉曼增益在腔内起到了拓展锁模光谱范围和Yb增益带宽的作用。
　　2、提出并实现了缩短腔长限制拉曼效应，在约7.3m长的掺镱NPR锁模光纤激光器中产生了在没有拉曼存在下的稳定超短锁模脉冲。并以此超短脉冲作为种子源，设计了基于MOPA结构的超强、超快光纤激光系统，实现了平均功率40W的脉冲激光输出，并且16.993ps的种子源脉冲宽度经长光纤展宽至1.13ns，再经光栅对压缩至26.611ps，压缩比例达到42.5倍，整个系统处于联动状态。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 光纤激光器研究概述

1．1．1 光纤激光器简史

1．1．2 光纤激光器组成、原理及分类

1．2 超快光纤激光器及应用

1．2．1 超快光纤激光器

1．2．2 超快光纤激光器的应用

1．3 高功率光纤激光器及应用

1．3．1 高功率光纤激光器

1．3．2 高功率光纤激光器的应用

1．4 本论文主要内容

参考文献

第二章 锁模光纤激光器的理论基础及实验研究

2．1 锁模的基本原理

2．2 几种锁模光纤激光器

2．2．1 主动锁模光纤激光器

2．2．2 几种被动锁模光纤激光器

2．3 色散和非线性对脉冲传输的影响

2．3．1 非线性对脉冲传输的影响

2．3．2 色散对脉冲传输的影响

2．3．3 光纤色散的测量实验

2．4 本章小结

参考文献

第三章 拉曼辅助锁模光纤激光器特性研究

3．1 被动锁模光纤激光器中拉曼光谱研究背景

3．2 拉曼效应

3．3 拉曼辅助锁模激光器的实验研究

3．3．1 拉曼辅助掺镱NPR锁模光纤激光器

3．3．2 泵浦功率的改变对锁模的影响

3．3．3 腔外引入色散对锁模脉冲的影响

3．3．4 主脉冲和拉曼脉冲相干特性研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 基于MOPA结构的超强、超快光纤激光系统的实验研究

4．1 啁啾脉冲放大技术(CPA)

4．2 光栅对压缩方案

4．3 高功率掺镱锁模光纤激光器的实验研究

4．3．1 种子源的设计

4．3．2 基于MOPA结构的超强、超快光纤激光系统

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢