掺镱大模场面积光子晶体光纤锁模激光器的特性研究

论文摘要

利用二极管激光器直接泵浦掺杂稀土元素的光子晶体光纤激光器产生超短、超强的激光脉冲是实现低成本、集成化的飞秒激光脉冲技术的新手段,在工业、科研等领域有广泛的应用前景。光子晶体光纤的无截止单模特性使得光纤纤芯尺寸增加的同时保持单模,从而有效地降低了光纤的非线性,非常适合于高能量超短激光脉冲的传输。本论文利用偏振型掺镱大模场面积光子晶体光纤作为增益介质,通过半导体可饱和吸收镜引入被动调制,实现了自启动锁模,获得了高能量的飞秒激光脉冲输出,并进一步系统研究了不同谐振腔色散的情况下,锁模的动力学过程。本论文的工作可以概括为以下几部分:1.阐述了飞秒激光的产生原理、飞秒激光技术的发展及光子晶体光纤的导光机制,介绍了超短激光脉冲在非线性介质中传输的基本理论。2.建立了光子晶体光纤锁模激光器的数值模型,对这种激光器的锁模动力学过程进行了数值模拟,模拟的结果与实验很好的吻合。3.实验研究了孤子锁模的光子晶体光纤激光器,获得了900 mW的高平均功率脉冲输出,其单脉冲能量为19 nJ,脉冲宽度为570 fs。分析了光子晶体光纤的偏振消光比对输出脉冲质量的影响,并精确测量了激光器输出的锁模脉冲序列的能量波动与时间抖动等噪声特性。4.实验研究了呼吸孤子锁模的光子晶体光纤激光器,最窄获得了78 fs的超短激光脉冲输出,观察到束缚态孤子的产生,并对其产生机理进行了理论分析。5.实验研究了全正色散锁模的光子晶体光纤激光器,获得了平均功率为2 W,单脉冲能量为40 nJ,脉冲宽度为3.6 ps的超短激光脉冲,经腔外色散补偿,脉冲宽度压缩至410 fs。利用多通长腔加长光路,谐振腔的重复频率从50 MHz降至11 MHz,得到了高达97 nJ的单脉冲能量输出。6.基于光子晶体光纤振荡级与放大级,开发了紧凑型的太赫兹时域光谱系统,获得了高平均功率的近单周期太赫兹脉冲。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 超短激光脉冲技术
• 1.1.1 锁模激光器
• 1.1.2 超短激光脉冲技术的发展
• 1.2 光子晶体光纤
• 1.2.1 全内反射型光子晶体光纤
• 1.2.2 光子带隙型光子晶体光纤
• 1.3 光子晶体光纤锁模激光器
• 1.4 选题意义、研究内容及主要创新点
• 第2章 超短激光脉冲在光纤中传输的基本理论
• 2.1 基本传输方程
• 2.2 群速度色散
• 2.3 自相位调制效应
• 2.4 光波分裂
• 2.5 光孤子
• 2.6 本章小结
• 第3章 锁模光纤激光器的数值模型
• 3.1 超短激光脉冲在增益光纤中的传输
• 3.2 分步傅立叶算法
• 3.3 基于半导体可饱和吸收镜的被动锁模机制
• 3.4 光纤激光器的数值模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 孤子锁模的光子晶体光纤激光器
• 4.1 孤子锁模机制
• 4.1.1 引导中心孤子
• 4.1.2 谐振边带
• 4.2 实验装置
• 4.2.1 偏振型大模场面积光子晶体光纤
• 4.2.2 光子晶体光纤的端面封装技术
• 4.2.3 光栅对
• 4.2.4 谐振腔的设计
• 4.3 实验结果
• 4.4 激光器的稳定性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 呼吸孤子锁模的光子晶体光纤激光器
• 5.1 呼吸孤子锁模原理
• 5.2 实验装置
• 5.3 负色散域锁模
• 5.4 正色散域锁模
• 5.5 束缚态
• 5.6 本章小结
• 第6章 全正色散锁模的光子晶体光纤激光器
• 6.1 高平均功率全正色散锁模的光子晶体光纤激光器
• 6.2 多通长腔的全正色散锁模光子晶体光纤激光器
• 6.2.1 实验装置
• 6.2.2 多通长腔的导光机制
• 6.2.3 实验结果
• 6.3 本章小结
• 第7章 基于光子晶体光纤飞秒激光技术的高功率、高重复频率超短THz 波的产生
• 7.1 基于光学整流的太赫兹波时域光谱技术
• 7.2 光子晶体光纤激光器泵浦ZnTe 产生太赫兹波
• 7.3 光子晶体光纤放大器泵浦GaP 产生太赫兹波
• 7.4 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 已发表论文
• 已投稿论文
• 专利申请情况
• 参与的科研项目
• 致谢