论文部分内容阅读
全光纤锁模激光器作为一种产生高性能飞秒脉冲的理想光源,具有效率高、成本低、稳定性好、体积小、易集成等优点,一直都是锁模激光器领域的研究热点,已经被成功应用于超快光谱学、激光操控的化学反应、生物医学成像、频率计量、光通信及材料加工等领域。经过几十年的飞速发展,锁模激光器性能得到了大幅度提升。如何获得更短的脉冲、更高的脉冲能量、更高的峰值功率依然是未来的研究重点。本文的主要工作围绕全光纤锁模激光器展开,主要从色散、非线性、增益以及损耗等参数对激光器动力学及性能两方面的影响进行了一系列研究,旨在获得短脉冲、大能量、高峰值功率的全光纤超快激光器。主要研究成果如下:1、首次在基于非线性偏振旋转锁模技术的掺饵光纤激光器中系统的研究了双脉冲束缚态孤子谐波锁模特性。实验获得了稳定的束缚态孤子谐波锁模脉冲。当泵浦功率从168 m W增大到476.1 m W时,锁模阶数从一阶增加到九阶。处于束缚态中的孤子间间隔为固定值（本实验中为1.5 ps）,且不随泵浦功率、偏振状态等变化而变化。谐波锁模的阶数随着泵浦功率的增大而增大,这一变化趋势与单脉谐波锁模特性类似。实验结果表明:束缚态是锁模激光器中存在的一种固有脉冲形态,同时束缚态谐波锁模可用于产生高重复频率的双脉冲激光光源,在激光加工、生物成像等领域均有较大的应用潜力。2、首次提出液体无水乙醇作为可饱和吸收体,并成功利用该类可饱和吸收体实现了锁模和调Q光纤激光器。首先将无水乙醇涂在跳线头端面并用保鲜膜密封。被密封的无水乙醇层厚度为256μm,对应调制深度为5.6%。基于此可饱和吸收体,搭建了一台掺饵光纤锁模激光器。该激光器工作波长1594 nm,脉宽972 fs,重复频率为20.97 MHz,对应脉冲能量为1.8 n J,脉冲信噪比大于50 d B。此外,将无水乙醇放置在空芯管中,两端用跳线头插入并密封得到另一个可饱和吸收体,其所含液体层厚度为256μm,对应调制深度为18%。基于此可饱和吸收体,搭建了一台调Q光纤激光器。该激光器最大输出功率30.3 m W,重复频率为81.9 k Hz,对应脉冲能量高达348.6 n J。实验结果表明:液体可饱和吸收体具有工作范围广、调制深度可调、散热性好、抗损伤阈值高等优点,是实现高能量飞秒脉冲激光器的理想选择。3、基于非线性薛定谔方程（Nonlinear Schrodinger equation,NLSE）,理论研究了正色散被动锁模激光器中光谱滤波效应对锁模激光器输出特性的影响。研究表明:耗散孤子（Dissipative soliton,DS）与放大自相似子（Amplifier similariton,AS）可在同一正色散锁模激光器中存在,且两者之间的转换只需改变滤波器带宽即可实现。当滤波器带宽较大时,激光器输出DS脉冲。当滤波器带宽较小时,激光器工作于AS;实验上,我们在基于非线性偏振旋转锁模的正色散锁模激光器中同时获得了这两种孤子脉冲输出,并利用非线性偏振选转的滤波效应研究了这两种孤子间的转化,证明了光谱滤波效应对不同孤子形成有着关键作用。实验结果与理论结果完全吻合。研究成果不仅提供了一种实现DS-AS可切换的锁模激光器的简单有效的方法,同时对激光器性能优化有一定的指导作用。4、基于非线性偏振旋转锁模技术,搭建了L波段耗散孤子激光器。通过增益及色散优化,实现了中心波长1600 nm的激光输出。该激光器工作于L波段,输出脉冲宽度为3.1 ps,重复频率为38.75 MH。腔外经单模光纤压缩后获得脉冲宽度为87.5 fs,对应的脉冲能量为1.47 n J。87.5 fs、1.47n J是目前为止报道的脉宽最短、能量最高的L波段耗散孤子脉冲。5、进一步优化腔内色散及非线性,实现了亚60 fs的L波段自相似子激光器。激光器输出最大平均功率47 m W,重复频率36 MHz,对应脉冲能量1.3 n J。光谱为抛物线型,且光谱宽度随着泵浦功率的增加呈指数展宽,脉冲相位为二次函数曲线,表明该脉冲具有线性啁啾,这些特征均表明该脉冲为自相似子脉冲。脉冲宽度为2.4 ps,在腔外用单模光纤可压缩至57.6 fs。这是首次报道L波段60fs以下的全光纤锁模激光器。该激光器输出光谱及脉冲具有抛物线型,脉冲为线性啁啾,能避免脉冲放大过程中出现光谱调制不稳定性,同时在压缩过程中能被压缩至转换极限,同时保证脉冲质量,是超快脉冲放大系统中理想的种子源。6、利用受激布里渊（Stimulated Brillioun scattering,SBS）感应折射率变化效应,首次实现了超窄线宽、重复频率可调谐的锁模激光器。根据K-K关系,增益和损耗的变化会导致折射率的变化,而腔内介质折射率的变化会影响激光器的等效腔长,从而改变了锁模激光器脉冲的重复频率。实验上搭建了基于SBS效应的主动锁模光纤激光器,分别用100 m和50 m的单模光纤作为SBS介质,通过调节泵浦功率分别实现了脉冲重复频率20 k Hz和110 k Hz范围内可调。实验发现泵浦功率的增大导致脉冲重复频率变大,这意味着腔内等效群折射率随着泵浦功率的增大逐渐减小,因此,该激光器是一个快光激光器。K-K关系推断出增益会导致斯托克斯光产生慢光,即斯托克斯脉冲对应的群折射率应该变大,这与实验结果刚好相反。关于快光激光器的物理解释还需进一步探讨。这种窄线宽、重复频率可调的快光激光器在光谱成像、量子光子学、光学传感、引力波探测等领域具有较大的应用前景。