全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的研究

论文摘要

本论文详细阐述了光子晶体光纤的传输特性,并对其可控色散特性、非线性特性、带隙特性进行了理论和实验的研究。基于掺Yb3+单偏振双包层光子晶体光纤搭建了全光子晶体光纤飞秒激光放大系统,系统研究了多个参数对输出的影响,得到高重复频率,高平均功率的飞秒脉冲输出。论文的工作包括以下主要内容:第一,利用有限元方法设计了具有特殊色散特性的孔助实芯光子晶体光纤。通过控制纤芯空气孔的大小得到了具有两个零色散点的色散曲线,并优化了该光纤的二阶和三阶色散,使其满足光纤展宽器的色散匹配要求。同时基于白光干涉法搭建了色散测量系统,测量了多种光子晶体光纤的色散曲线。第二,在非线性实验中,由于孔助实芯光子晶体光纤具有两个零色散波长,实现了自频移孤子的稳定输出,消除了仅有一个零色散点光纤中孤子频移对入射脉冲能量的敏感性。第三,利用空气纤芯光子带隙光纤的低非线性和反常色散特性对光子晶体光纤飞秒激光器输出的脉冲进行了压缩。利用全固带隙光纤和布拉格型光纤的弯曲损耗特性制作了带通滤波器,其滤波窗口的中心波长和宽度皆可调谐。第四,数值模拟研究了Yb3+光纤的增益特性,结合实验分析了放大级参数对输出脉冲能量的影响。利用分步傅立叶方法研究了放大过程中的自相位调制效应的影响,进一步数值模拟了非线性脉冲放大和压缩的过程,分析了三阶色散和非线性啁啾之间的相互补偿。第五,实验搭建了全光子晶体光纤飞秒激光放大系统,系统中的增益光纤全部采用掺Yb3+单偏振双包层光子晶体光纤,利用非线性放大,得到比种子光更窄的脉冲输出。实验中详细分析了振荡级的锁模状态、振荡级输出脉冲光谱调制、放大级泵浦功率、放大级增益光纤长度等参数对系统输出的影响,得到了39 fs的最短脉冲输出和平均功率为23 W,重复频率为50 MHz,对应单脉冲能量460 nJ,脉冲宽度为109 fs的稳定高质量脉冲输出。并以此输出为光源对光子晶体光纤飞秒激光器在高功率非线性、高功率紫外倍频、高速飞秒激光加工等领域的应用进行了探索。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 飞秒激光概述
• 1.1.1 飞秒激光特点
• 1.1.2 飞秒激光的历史
• 1.2 光纤飞秒激光器概述
• 1.2.1 光纤飞秒激光器的特点
• 1.2.2 光纤飞秒激光器的历史
• 1.3 光子晶体光纤概述
• 1.3.1 光子晶体光纤的概念
• 1.3.2 光子晶体光纤的特性
• 1.4 光子晶体光纤飞秒激光器
• 1.5 课题的意义及主要研究内容
• 第2章 光子晶体光纤传输特性的研究
• 2.1 大模场面积特性
• 2.2 增强的数值孔径
• 2.3 光子带隙特性
• 2.3.1 光子带隙的数值模拟
• 2.3.2 光子带隙光纤的带隙测量
• 2.4 光子晶体光纤的色散特性
• 2.4.1 孔助光子晶体光纤色散特性的设计
• 2.4.2 色散测量
• 2.5 光子晶体光纤的非线性特性
• 2.5.1 具有一个零色散点的光子晶体光纤的非线性特性
• 2.5.2 具有两个零色散点的光子晶体光纤的非线性特性
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于光子带隙光纤的压缩器及滤波器的研究
• 3.1 光子带隙光纤压缩器
• 3.1.1 空气纤芯光子带隙光纤的带隙和色散参数
• 3.1.2 利用空气纤芯光子带隙光纤压缩脉冲
• 3.2 基于光子带隙光纤的可调带通光纤滤波器
• 3.2.1 全固光子带隙光纤的弯曲损耗特性
• 3.2.2 Bragg型光纤的弯曲损耗特性
• 3.2.3 可调带通光纤滤波器
• 3.3 本章小结
• 3+双包层光纤放大器的理论研究'>第4章 掺Yb³⁺双包层光纤放大器的理论研究
• 3+掺杂的双包层光纤的增益特性'>4.1 Yb³⁺掺杂的双包层光纤的增益特性
• 3+离子的能级结构和吸收、发射光谱'>4.1.1 Yb³⁺离子的能级结构和吸收、发射光谱
• 3+掺杂的双包层光纤的速率方程'>4.1.2 Yb³⁺掺杂的双包层光纤的速率方程
• 4.1.3 信号光的增益系数和泵浦光的吸收系数
• 4.2 放大器增益参数的数值模拟
• 4.2.1 光纤参数的选择
• 4.2.2 泵浦光功率和信号光功率在光纤内的分布
• 4.2.3 泵浦光功率和信号光功率对光纤增益的影响
• 4.3 正色散放大过程中的非线性现象
• 4.4 非线性脉冲放大
• 4.4.1 非线性脉冲放大的理论基础
• 4.4.2 非线性脉冲放大的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第5章 全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的实验研究
• 5.1 全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的结构
• 5.1.1 振荡级
• 5.1.2 放大级
• 5.2 振荡级不同锁模方式对放大系统输出的影响
• 5.2.1 振荡级正色散锁模方式下放大系统的输出
• 5.2.2 振荡级负色散锁模方式下放大系统的输出
• 5.3 信号光光谱调制对系统输出的影响
• 5.4 放大级泵浦功率对系统输出的影响
• 5.5 放大级增益光纤长度对系统输出的影响
• 5.5.1 放大级增益光纤长度对系统输出增益特性的影响
• 5.5.2 放大级增益光纤长度对系统输出偏振度的影响
• 5.6 放大系统获得39 fs的窄脉冲输出
• 5.7 放大系统的稳定高质量脉冲输出
• 5.8 本章小结
• 第6章 全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的应用及总结
• 6.1 全光子晶体光纤飞秒激光放大系统的应用
• 6.1.1 高平均功率非线性
• 6.1.2 高平均功率紫外倍频
• 6.1.3 飞秒激光高速微纳加工
• 6.2 论文的总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢