基于新型可饱和吸收体的被动调Q和被动锁模光纤激光器研究

摘要

光纤激光器具有光束质量好、效率高、结构紧凑、易于热管理等诸多优点，掀起了激光技术产业的革命。而脉冲光纤激光器因脉冲能量大、峰值功率高，在工业生产、科学研究、激光通信等领域拥有极其广泛的应用。目前，产生脉冲的主要方式是采用调Q技术和锁模技术，在这两种技术中，可饱和吸收体(SA)都起着至关重要的作用，由它构造的被动调Q和被动锁模激光器具有结构简单、体积小、价格低廉、环境稳定性高等优点。所以，我们可以说，脉冲激光器的发展在很大程度上决定于可饱和吸收材料的发展。
　　传统的可饱和吸收体，如染料、半导体可饱和吸收镜等，面临着诸多缺陷，大大限制了脉冲激光器的发展。随着材料科学的进步，相继涌现出像碳纳米管(CNT)、石墨烯(Graphene)、过渡金属硫化物(TMDs)等各种新型纳米材料，它们的性能得到质的提升，价格也不断下降，脉冲激光器借此得到蓬勃发展。本论文主要针对新型纳米材料的可饱和吸收特性以及在脉冲光纤激光器中的应用展开研究，包括基于它们的被动调Q和被动锁模光纤激光器以及全光纤的被动调Q和被动锁模轴对称偏振光束(CVB)激光器。论文的最后，我们还对光纤激光器输出光场的匀滑技术进行了研究，以便应用在各种需要光滑平顶光束的场合。
　　本论文的主要研究工作有:
　　1、在实验上分别采用z扫描和双臂探测法研究了一种新型过渡金属硫化物—二硫化钨纳米片在1064nm和1550nm波段的超宽带可饱和吸收特性，并且验证了它的偏振无关特性和高损伤阈值，指出这是一种非常理想的可饱和吸收材料。
　　2、利用二硫化钨(WS2)和聚乙烯醇(PVA)制得的复合薄膜，我们分别搭建了基于二硫化钨的掺铒被动调Q光纤激光器和掺镱被动调Q光纤激光器。对于掺铒调Q激光器，当泵浦功率从279mW增加到609mW时，调Q脉冲重复频率从88.67kHz增加至157.29kHz，对应的脉宽从1.24μs减小到917ns，单脉冲能量最大达89.23nJ。在掺镱调Q激光器中，我们通过加入可调滤波器，实现了工作波长在1027-1065nm间连续可调，而调Q脉冲始终稳定存在。在固定工作波长1048.1nm的情况下，通过增大泵浦功率，调Q脉冲重复频率可以从60.2kHz增加到97.0kHz，最短脉冲宽度1.65μs。
　　3、利用垂直蒸发法制备的厚度和浓度渐变的WS2-PVA薄膜，我们搭建了基于WS2的掺镱被动锁模光纤激光器。通过合理设计激光器结构和选择合适参数的SA，最终获得了0.55nm光谱宽度、20.66MHz重复频率、206ps脉宽的稳定耗散孤子脉冲。脉冲时间带宽积为30，带有非常大的啁啾，脉宽可在腔外得到进一步压缩。
　　4、提出了一种全光纤被动调Q和被动锁模CVB激光器的方案，采用少模光纤光栅(FMFBG)作为横模选择元件，滤除基模，获得纯净的TM01(径向偏振光)和TE01(角向偏振光)模输出;同时分别采用WS2-PVA和CNT-PVA作为可饱和吸收体，利用它们的可饱和吸收特性和偏振无关特性，最终在保证调Q和锁模脉冲输出的同时，获得了高纯度的轴对称偏振光。相较于其它方案，该方案结构简单，轴对称偏振光方便获得，调Q状态和锁模状态不容易丢失。
　　5、针对激光惯性约束核聚变和激光投影、激光显示中对靶面辐照均匀性的要求，我们设计了一种多束激光错位叠加和阵列透镜结合的束匀滑整形方案。通过理论分析和相关的数值模拟探讨了方案的可行性，并且详细研究了各个参数对靶面匀滑效果的影响。最后，我们还在实验上对方案进行了验证，最终得到不均匀度RMS低于4.6％的平顶光束。
　　本论文的创新点:
　　1、首次将WS2的应用扩展到1064nm波段，实现了波长和重复频率同时可调的掺镱调Q光纤激光器，保证波长在1027-1065nm间连续可调的同时，稳定调Q状态始终存在;另外，我们也实现了基于WS2的掺镱被动锁模光纤激光器，获得了20.66MHz重频、206ps脉宽的稳定耗散孤子脉冲。
　　2、采用FMFBG作为横模选择元件，WS2作为调Q元件，搭建了全光纤被动调Q轴对称偏振光束激光器，重频在80KHz到120KHz间可调，最短脉宽958ns。通过调节腔内的偏振控制器，在调Q状态下获得了高模式纯度的径向偏振光和角向偏振光。
　　3、采用FMFBG作为横模选择元件，CNT作为锁模元件，实现了全光纤被动锁模CVB激光器，最终在10.61MHz重频，22.73ps脉宽稳定锁模的同时，获得了模式纯度高达98.03％的径向偏振光。
　　4、提出了一种多束激光错位叠加和阵列透镜结合的束匀滑整形方案。通过理论分析和相关的数值模拟探讨了方案的可行性，并在实验上进行了验证，该方案简单易行、适用性广，冗余度高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 调Q光纤激光器

1．2．1 调Q原理

1．2．2 调Q光纤激光器的实现方式

1．3 锁模光纤激光器

1．3．1 锁模原理

1．3．2 锁模光纤激光器的实现方式

1．4 可饱和吸收体

1．4．1 半导体可饱和吸收镜

1．4．2 碳纳米管

1．4．3 石墨烯

1．4．4 过渡金属硫化物

1．5 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 基于二硫化钨的被动调Q光纤激光器

2．1 二硫化钨介绍

2．1．1 二硫化钨的二阶非线性极化率

2．1．2 二硫化钨的非线性折射率和双光子吸收系数

2．1．3 二硫化钨的可饱和吸收特性

2．2 二硫化钨可饱和吸收体的制备与表征

2．2．1 二硫化钨纳米片的制备与表征

2．2．2 WSrPVA薄膜的制备

2．2．3 WS2-PVA薄膜的可饱和吸收特性的测量

2．3 基于WS2的掺铒被动调Q光纤激光器

2．4 基于WS2的波长可调的掺镱被动调Q光纤激光器

2．5 本章小结

参考文献

第三章 基于二硫化钨的掺镱被动锁模光纤激光器

3．1 基于WS2的被动锁模光纤激光器介绍

3．2 正常色散区的耗散孤子

3．3 基于WS2的掺镱被动锁模光纤激光器

3．4 本章小结

参考文献

第四章 轴对称偏振光束脉冲光纤激光器

4．1 轴对称偏振光束的介绍

4．1．1 轴对称偏振光束的数学表达

4．1．2 轴对称偏振光束的产生方式

4．1．3 轴对称偏振光束的聚焦特性及应用

4．2 光纤布拉格光栅(FBG)

4．2．1 光纤光栅的制作技术

4．2．2 光纤光栅的特性

4．3 少模光纤光栅(FMFBG)

4．3．1 光纤的模式理论

4．3．2 少模光纤

4．3．3 少模光纤光栅的选模特性

4．4 全光纤CVB被动调Q激光器

4．4．1 实验准备

4．4．2 全光纤CVB被动调Q激光器实验装置及输出结果

4．5 全光纤CVB被动锁模激光器

4．5．1 锁模CVB的研究现状

4．5．2 全光纤被动锁模CVB激光器实验装置及输出结果

4．6 本章小结

参考文献

第五章 激光靶面辐照匀滑系统的理论设计及实验研究

5．1 惯性约束核聚变

5．1．1 研究背景

5．1．2 ICF的主要驱动方式

5．2 ICF中的均匀照明

5．2．1 空域匀滑技术

5．2．2 时域匀滑技术

5．2．3 偏振匀滑技术

5．3 基于光纤放大网络的激光驱动核聚变

5．4 多束光纤错位叠加和阵列透镜结合的束匀滑整形方案

5．4．1 设计方案

5．4．2 数值模拟

5．4．3实验验证

5．5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

在渎期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢