超短脈沖激光技術(shù)是建立在激光鎖模技術(shù)、非線性調(diào)控技術(shù)及色散管理技術(shù)等研究之上的前沿綜合性激光技術(shù),也是具有廣泛應(yīng)用前景的研究?jī)?nèi)容。近年來,超短脈沖激光技術(shù)的快速發(fā)展,極大地推動(dòng)了新材料、新技術(shù)及新產(chǎn)業(yè)的不斷涌現(xiàn),有力地促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)、微加工、阿秒科學(xué)、光學(xué)頻率梳、高能物理以及等離子體物理等前沿應(yīng)用研究的發(fā)展,已經(jīng)成為當(dāng)前人們認(rèn)識(shí)和探索未知領(lǐng)域的最強(qiáng)有力工具之一。光纖激光作為超快激光領(lǐng)域的重要分支和研究方向,涉及新型光纖鎖模技術(shù)及材料開發(fā)、新型集成化全光纖器件開發(fā)、高性能色散補(bǔ)償及脈沖調(diào)制器件開發(fā)、高功率大能量光纖元器件開發(fā)及測(cè)控軟硬件開發(fā)等諸多前沿技術(shù)領(lǐng)域。特別是隨著近年來光纖型色散補(bǔ)償器件如光子晶體光纖、啁啾布拉格光纖光柵、光纖高階模色散補(bǔ)償器及拉錐型光纖色散補(bǔ)償器件,包括新型鎖模材料如碳納米材料、石墨烯、硫化物材料等相繼被提出,都極大的推動(dòng)了光纖激光器的全光纖化進(jìn)程。但是,作為放大系統(tǒng)的種子光源,全光纖振蕩器目前還存在如窄光譜、低穩(wěn)定性、低信噪比、高非線性等缺陷。低重頻全光纖飛秒脈沖放大技術(shù)是當(dāng)前光纖放大領(lǐng)域又一研究熱點(diǎn),光纖放大的核心問題是非線性和色散管理,光纖放大所衍生的若干關(guān)鍵問題包括:(1)光纖非線性積累導(dǎo)致脈沖畸變和光譜分裂,(2)鎖模及放大脈沖重頻精確控制,(3)脈沖壓縮與高階色散補(bǔ)償,(4)激光輸出的控制和監(jiān)測(cè)等。解決以上問題就需要對(duì)光纖振蕩器的全光纖化和光纖放大器進(jìn)行系統(tǒng)研究。此外,通過針對(duì)性的設(shè)計(jì)和研發(fā)高精度軟硬件光路輔助及支撐系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)光機(jī)電一體化,將有助于推進(jìn)超短脈沖光纖激光器的商業(yè)化和實(shí)用化。因此,開展鎖模光纖激光器及超短脈沖放大理論和實(shí)驗(yàn)研究意義重大。本論文中創(chuàng)新性成果包括:(1)首次采用微元法結(jié)合中紅外材料的光學(xué)特性,設(shè)計(jì)出一種在2-5?m波長(zhǎng)范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)色散平坦?jié)u減的中紅外光纖器件,該光纖在中紅外孤子脈沖傳輸與壓縮,超連續(xù)譜產(chǎn)生等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。(2)實(shí)驗(yàn)搭建了具有色散補(bǔ)償腔的空間型NPE鎖模光纖振蕩器,獲得了脈沖寬度皮秒量級(jí)、自啟動(dòng)、寬光譜、高信噪比的鎖模脈沖。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)該激光器進(jìn)一步的微型化、緊湊化和工程化。并在此基礎(chǔ)上對(duì)耗散孤子鎖模全光纖激光器進(jìn)行深入實(shí)驗(yàn)研究,所搭建全光纖振蕩器可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、觸屏可控的鎖模輸出。(3)開展基于拉錐光纖色散和非線性管理的摻鐿亞百飛秒全光纖振蕩器研究,通過腔內(nèi)腔外色散和非線性調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了重頻66MHz,脈沖寬度65fs的鎖模輸出,光譜寬度37nm,信噪比高達(dá)70dB以上。為全光纖振蕩器色散補(bǔ)償及非線性器件開發(fā)提供了新思路,也為具有寬光譜輸出、自啟動(dòng)、高信噪比全光纖振蕩器的研究奠定基礎(chǔ)。(4)光纖放大器采用光纖CPA技術(shù)結(jié)合自主設(shè)計(jì)的光纖型CFBG,兼具脈沖展寬和高階色散補(bǔ)償功能,將皮秒脈沖展寬至納秒量級(jí),實(shí)現(xiàn)低非線性積累下大幅度脈沖展寬;隨后經(jīng)摻鐿大模場(chǎng)(模場(chǎng)面積:3300?m~2)單模光子晶體光纖進(jìn)行放大,獲得具有單一模式的高功率激光輸出,有效降低高功率光纖放大中光克爾效應(yīng)。通過高精度射頻驅(qū)動(dòng)電路控制下的聲光調(diào)制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖重頻40MHz至1MHz的精確控制,選頻輸出脈沖的預(yù)脈沖能量占比低,放大脈沖隨后導(dǎo)入空間光柵對(duì)壓縮器進(jìn)行脈沖寬度壓縮。CFBG所提供的三階負(fù)色散,完美補(bǔ)償壓縮器和光纖鏈路引入的三階正色散,對(duì)整個(gè)放大系統(tǒng)進(jìn)行高效色散管理,解決了光纖CPA系統(tǒng)中長(zhǎng)期限制百飛秒脈沖壓縮的三階色散問題�；谝陨霞夹g(shù)支撐,開發(fā)了兩套輸出平均功率分別為30W和60W,重復(fù)頻率為1MHz,壓縮后脈沖寬度分別為153fs和196fs的光纖放大器,初步實(shí)現(xiàn)了光機(jī)電一體化,測(cè)試壓縮輸出24小時(shí)功率穩(wěn)定性RMS達(dá)0.63%。此外,還開展了飛秒激光豬眼球撕囊手術(shù)、鋼板及玻璃打標(biāo)等應(yīng)用研究,激光器運(yùn)行狀況良好。(5)高功率超短脈沖壓縮是超短脈沖放大技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),但光纖放大鏈路的光譜增益窄化,極大的限制了脈沖的極限寬度,需要借助非線性效應(yīng),進(jìn)一步擴(kuò)展脈沖光譜寬度,來獲得更窄的極限脈沖。因此,開展充氣Kagome光纖的非線性光譜展寬及脈沖寬度壓縮實(shí)驗(yàn),并取得初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN752;O437
【部分圖文】：

第一章 緒論后人通過海量實(shí)驗(yàn)和廣泛的應(yīng)用所證實(shí)，是當(dāng)前激光領(lǐng)域別對(duì)光纖激光放大，該技術(shù)有效降低光纖本身結(jié)構(gòu)帶來的題，因此更為實(shí)用。圖 1.1 是最早的 CPA 原理圖[144]，最蕩器是 Nd:YAG，鎖模中心波長(zhǎng) 1.06 m，放大中脈沖展50ps 脈沖展寬至 300ps，后放大，將脈沖能量從 nJ 提升至射光柵壓縮，壓縮后脈沖寬度~2ps。

造成比較小的創(chuàng)傷。而摻鐿光纖激光器的中心波長(zhǎng)處在1 m處，恰好處于紅外波段，能量不被人體組織吸收，具有較強(qiáng)的穿透深度，聚焦特性好不易對(duì)組織造成創(chuàng)傷，因此是微創(chuàng)手術(shù)比較理想的選擇。圖1.2是飛秒激光輔助白內(nèi)障手術(shù)示意圖。圖 1.2 飛秒激光輔助白內(nèi)障手術(shù)原理圖[201]由圖1.2可知，結(jié)合光學(xué)斷層掃描成像技術(shù)(OCT)成像技術(shù)可視化操作，高精度三維平移臺(tái)輔助精確聚焦，通過振鏡來控制光脈沖的作用區(qū)域，高功率飛秒激光束被精確聚焦到病變部位并使得飛秒激光束能很好的聚焦在角膜上進(jìn)行精確掃描。被光刀切割掉的組織通過吸出(Suction)裝置排出，避免了人為操作創(chuàng)傷造成事故率高、精確度低等問題，手術(shù)可真正實(shí)現(xiàn)零失誤。在微加工領(lǐng)域，光纖飛秒激光的應(yīng)用更加廣泛，作為目前最精密最前沿的加工工具，飛秒激光可以對(duì)不同材質(zhì)、不同類型的、微觀程度上傳統(tǒng)加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的器件包括量子光學(xué)器件、生物傳感器、芯片微型光功能器件及磨具開發(fā)等，所涉及的材料包括有機(jī)材料、各種不同基質(zhì)的玻璃、陶瓷及金屬等。圖1.3(a)是采用高功率飛秒激光進(jìn)行的厚度250 m鋼板打孔實(shí)驗(yàn)

度上傳統(tǒng)加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的器件包括量子光學(xué)器件、生物傳感器、芯片微型光功能器件及磨具開發(fā)等，所涉及的材料包括有機(jī)材料、各種不同基質(zhì)的玻璃、陶瓷及金屬等。圖1.3(a)是采用高功率飛秒激光進(jìn)行的厚度250 m鋼板打孔實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)一性和精密性高；圖(b)是采用飛秒光纖激光加工的尺寸在微米量級(jí)的柱形模具。
【參考文獻(xiàn)】

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1 戴世勛;於杏燕;張巍;林常規(guī);宋寶安;王訓(xùn)四;劉永興;徐鐵峰;聶秋華;;硫系玻璃光子晶體光纖研究進(jìn)展[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2011年09期

2 葉昌庚,閆平,鞏馬理,雷鳴;Pulsed pumped Yb-doped fiber amplifier at low repetition rate[J];Chinese Optics Letters;2005年05期

本文編號(hào)：2878990