掺镱光纤超短脉冲压缩与放大的关键技术研究

论文摘要

超短脉冲技术和掺稀土元素光纤激光器是近年来比较热门的两个光学研究领域。具有高脉冲能量的超短脉冲在工业加工、科学研究、医疗事业等多个领域具有重要的应用价值；掺稀土元素光纤中的掺镱光纤由于具有高饱和功率、高的光—光转换效率和宽的增益带宽等特点，在高功率放大方面具有良好的特性。加之光纤激光器相对于传统固体激光器具备高效、紧凑等特点，着眼于将二者的优势相结合，以“中科院设备改造计划”项目为背景，对基于掺镱光纤的超强超短啁啾脉冲放大系统进行了理论和实验研究。本文首先对超短脉冲技术、掺镱光纤激光器的发展过程、最新进展以及应用前景等进行了回顾与总结。接着对掺镱光纤放大技术进行了理论数值分析和实验研究。通过建立数值模型分析了掺镱光纤放大器设计中的参数选择，讨论了增益光纤长度、掺杂浓度、泵浦方式等因素对放大器性能的影响。分别对单模掺镱光纤放大器和采用包层泵浦技术的双包层光纤以及大模场光子晶体光纤放大器进行了实验研究。最终通过对产生自“8”字腔被动锁模光纤激光器的脉冲进行放大，在中心波长为1053nm处、30kHz重复频率下得到平均功率为3.1W的放大输出，相应单脉冲能量为100uJ、脉冲宽度为356ps。为目前国内最好结果。其次对光脉冲压缩技术进行了研究，分析了光栅对压缩器的数值模型，讨论了三阶色散对脉冲压缩的影响，对压缩器设计中各参数之间的关系进行了详细的分析并得出压缩器设计中参数选择的基本原则。最终对由光子晶体光纤放大器输出的100uJ、356ps的脉冲进行压缩，得到20uJ、716fs的亚皮秒脉冲。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 光纤激光器的特点
• §1.2 研究超短脉冲光纤激光器的意义
• §1.3 光纤激光器和超短脉冲技术在国内外的发展状况
• §1.4 本论文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 光纤激光器的基本原理
• §2.1 光纤激光器的基本结构
• §2.2 激光的产生
• §2.3 光纤中的非线性效应
• 参考文献
• 第三章 "8"字腔被动锁模光纤激光器的理论及实验研究
• §3.1 锁模的物理机制以及分类
• §3.2 "8"字腔被动锁模光纤激光器的实验研究
• 3.2.1 波长可调谐性实验
• 3.2.2 中心波长在1053nm时的实验
• 3.2.3 讨论
• §3.3 小结
• 参考文献
• 第四章 掺镱光纤放大器的理论及实验研究
• 3+离子的能级结构和光谱特性'>§4.1 YB³⁺离子的能级结构和光谱特性
• 3+光纤放大器的数值模型'>§4.2 掺YB³⁺光纤放大器的数值模型
• §4.3 光纤放大器的实验研究
• 3+光纤放大器'>4.3.1 纤芯泵浦的单模Yb³⁺光纤放大器
• 4.3.2 光子晶体光纤功率放大器
• 4.3.3 双包层光纤功率放大器
• §4.4 实验结果讨论
• 4.4.1 最佳光纤长度选择
• 4.4.2 掺杂浓度的影响
• 4.4.3 泵浦方式的选择
• 4.4.4 放大器中非线性效应的避免
• §4.5 小结
• 参考文献
• 第五章 光脉冲压缩实验研究
• §5.1 脉冲压缩的原理
• §5.2 光栅对压缩器
• §5.3 光栅对压缩器的实验研究
• 5.3.1 压缩器的参数选择
• 5.3.2 压缩器的设计
• 5.3.3 实验结果及讨论
• §5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• §6.1 总结
• §6.2 展望
• 致谢