【摘要】：飛秒光纖激光器主要應(yīng)用在光模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、飛秒激光頻率梳產(chǎn)生、光學(xué)任意波形產(chǎn)生和光學(xué)相干斷層掃描等方面,并在新的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。這主要得益于飛秒光纖激光器體積小、成本低、易操作、能量轉(zhuǎn)換效率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。目前,對飛秒光纖激光器的研究主要向滿足實(shí)際應(yīng)用需求的方向發(fā)展,其中,高重復(fù)頻率超短脈沖光纖激光器的研究是國際熱點(diǎn)之一。本文主要研究如何優(yōu)化飛秒光纖激光器的輸出脈沖特性,涉及到重復(fù)頻率、光譜寬度、脈沖寬度以及時間抖動等指標(biāo)。論文的主要工作和取得的成果如下:第一,根據(jù)被動鎖模光纖激光器的物理模型,建立了數(shù)值仿真平臺,并對基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)鎖模的光纖激光器和基于NPR和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)混合鎖模的光纖激光器進(jìn)行了數(shù)值仿真,包括鎖模建立過程中脈沖時域波形和光譜的演化,鎖模建立后光纖激光器輸出脈沖的波形和光譜形狀,以及在諧振腔中循環(huán)時脈沖和光譜的演化過程。第二,通過對色散和非線性效應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了一種高重復(fù)頻率、寬光譜鎖模飛秒光纖激光器,激光器通過NPR實(shí)現(xiàn)被動鎖模。該激光器基頻重復(fù)頻率大于200MHz,鎖模最大平均輸出功率為84.8mW,輸出脈沖寬度為56.5fs,能量轉(zhuǎn)換效率為12.1%,單脈沖能量為0.42nJ,脈沖峰值功率超過7kW。通過調(diào)節(jié)諧振腔內(nèi)波片和泵浦光功率,進(jìn)一步研究了激光輸出脈沖的光譜演化特性。該光纖激光器可以直接產(chǎn)生脈寬為44.6fs的輸出脈沖和寬度(半高全寬,FWHM)為148nm的平坦光譜,這種激光器在基于波分復(fù)用(WDM)的超高速光采樣系統(tǒng)中有重要應(yīng)用需求。通過利用sf10棱鏡在激光腔外對脈沖進(jìn)行壓縮,在不改變光譜寬度的前提下,得到最窄的脈沖寬度為34.3fs。第三,通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了利用腔內(nèi)帶通濾光片(bpf)能夠有效改善寬譜npr鎖模飛秒光纖激光器的時間抖動。分析和比較了諧振腔內(nèi)沒有bpf和有bpf時光纖激光器的脈沖輸出特性。當(dāng)諧振腔內(nèi)使用40nm帶寬的bpf時,激光器的時間抖動從29.9fs減小到17.4fs(1khz-10mhz),改善幅度高達(dá)42%。這主要是因?yàn)閎pf的濾波效應(yīng)降低了量子噪聲導(dǎo)致的光頻率平均位置的波動。腔內(nèi)加入bpf后激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率為201mhz,脈沖寬度為73.9fs,光譜寬度為61.4nm。這種高重復(fù)頻率、低時間抖動寬譜光纖激光器有望成為高速高精度光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的理想光源。第四,有效結(jié)合npr和sesam兩種鎖模方式,實(shí)現(xiàn)了一種混合鎖模摻鉺光纖激光器。其中npr用來整形超短脈沖,sesam用來自啟和穩(wěn)定鎖模。激光器鎖模輸出脈沖的基頻重復(fù)頻率為212mhz,光譜寬度為61.4nm。脈沖寬度為41.9fs,接近理論的變換極限,且時域脈沖波形兩側(cè)沒有出現(xiàn)脈沖底座或者子脈沖。當(dāng)泵浦光功率為700mw時,激光器平均輸出功率為65mw,對應(yīng)的單脈沖能量為0.31nj。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)值仿真結(jié)果吻合較好。激光器能夠自啟鎖模且能穩(wěn)定運(yùn)行30小時以上。這種高重復(fù)頻率超短脈沖光纖激光器有望成為光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和光學(xué)頻率梳產(chǎn)生等的理想光源。第五,通過npr和sesam兩種鎖模方式實(shí)現(xiàn)自啟和穩(wěn)定鎖模,同時在諧振腔中對色散和非線性效應(yīng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了一種可調(diào)的諧波混合鎖模光纖激光器。通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)波片和注入到諧振腔的泵浦光功率,2次(167mhz)到8次(667mhz)之間的諧波鎖模均能實(shí)現(xiàn)。對于最高的重復(fù)頻率,輸出脈沖的光譜寬度為181nm,脈沖寬度為218fs,通過外腔去啁啾,脈沖寬度可以壓縮到91fs。激光器的平均輸出功率為136mw,smsr大于60db。對于4次諧波鎖模(333mhz),激光器的輸出脈沖壓縮后最小寬度為73fs。在諧波鎖模狀態(tài)下,對光纖激光器的輸出特性連續(xù)監(jiān)控9個小時,發(fā)現(xiàn)激光器仍能維持穩(wěn)定的諧波鎖模,且脈沖輸出特性基本不發(fā)生改變。這種高重復(fù)頻率寬帶脈沖光纖激光器有望成為光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、生物成像以及光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)的理想光源。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN248

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本文編號：2442049