發(fā)布時(shí)間：2017-12-18 12:16

  本文關(guān)鍵詞：高重復(fù)頻率光纖飛秒激光的非線性放大及其時(shí)—頻域精密操控的研究

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【摘要】：基于飛秒脈沖時(shí)-頻域精密控制技術(shù)發(fā)展起來(lái)的光學(xué)頻率梳,為高分辨空間遙感、野外絕對(duì)測(cè)距測(cè)量、衛(wèi)星定位導(dǎo)航等重大應(yīng)用提供了嶄新的高精度和高穩(wěn)定度的激光光源。為了滿足這些應(yīng)用的需求,光梳需要進(jìn)一步提高縱模間隔和平均功率。光纖飛秒激光器因其結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉的特點(diǎn)近年來(lái)成為發(fā)展拓展光梳應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。然而,在現(xiàn)有的技術(shù)框架下將光梳應(yīng)用于遠(yuǎn)距離探測(cè)和空間頻率傳遞存在以下急需解決的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題:飛秒脈沖放大受制于增益窄化效應(yīng)脈沖寬度難以壓縮;傳統(tǒng)雙包層光纖輸出光束質(zhì)量在高功率下難以保持在衍射極限;高功率光梳頻域特性受限于附加相位噪聲難以精密控制。發(fā)展基于非線性放大機(jī)制的飛秒脈沖放大技術(shù),有機(jī)融合光場(chǎng)時(shí)-頻域精密控制技術(shù),是實(shí)現(xiàn)寬光譜光纖光梳功率提升的有效途徑。本論文圍繞高重復(fù)頻率光纖飛秒激光的非線性放大及其時(shí)-頻域精密操控這一主題展開研究,以低噪聲高重復(fù)頻率飛秒光纖激光器為種子源,提出了一種基于預(yù)啁啾管理機(jī)制的自相似脈沖放大技術(shù),并以此為基礎(chǔ)組建了高功率脈沖放大系統(tǒng),獲得了高功率寬光譜的飛秒脈沖,為開展光梳向紫外和中遠(yuǎn)紅外頻譜拓展的相關(guān)研究提供了技術(shù)支持。同時(shí)利用飛秒脈沖時(shí)-頻域精密控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)頻率光纖光梳的相位鎖定。具體研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.低噪聲的高重復(fù)頻率鎖模激光器是研制高重復(fù)頻率光梳的基礎(chǔ),我們研制了一種基于非線性放大環(huán)形鏡鎖模技術(shù)的保偏光纖超短脈沖激光器,在無(wú)需環(huán)境噪聲隔離的情況下獲得了低相位噪聲的超短脈沖序列,其重復(fù)頻率為161MHz,自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)累計(jì)相位噪聲4.21mrad,為進(jìn)一步提高光纖光梳系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性提供了技術(shù)支撐。2.啁啾脈沖放大器可以為預(yù)啁啾管理自相似放大器提供種子脈沖,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種空間式的高階色散補(bǔ)償裝置,用于補(bǔ)償展寬光纖引入的高階色散。利用棱柵壓縮器獲得了平均功率11W,脈沖寬度180fs的近傅里葉變換極限的超短脈沖。并組建了全保偏光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了飛秒脈沖激光器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和集成化,為開展野外環(huán)境絕對(duì)距離測(cè)量提供了穩(wěn)定的激光光源。3.高階色散,有限增益帶寬,受激喇曼散射是導(dǎo)致自相似脈沖放大器輸出脈沖壓縮質(zhì)量下降的主要因素,針對(duì)這些限制因素我們提出了一種基于預(yù)啁啾管理的自相似放大方案。首先通過(guò)模擬證明了改變初始脈沖的啁啾參數(shù)能夠促使脈沖在增益光纖中快速形成自相似脈沖演化,并存在最優(yōu)的預(yù)啁啾量提升脈沖的壓縮質(zhì)量,為開展預(yù)啁啾管理自相似放大技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)。以理論分析為基礎(chǔ),組建了基于預(yù)啁啾管理技術(shù)的高功率自相似脈沖放大系統(tǒng),從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了預(yù)啁啾管理可以顯著提高脈沖的壓縮質(zhì)量,并利用該系統(tǒng)獲得了平均功率93.5W,脈沖寬度33fs的高功率飛秒脈沖。相比國(guó)際上的類似放大系統(tǒng),具有最高的峰值功率(22MW)和最窄的脈沖寬度(60fs)。4.為了滿足高精度空間遙感對(duì)頻率精度的需求,以高重復(fù)頻率光纖激光器和超短脈沖放大技術(shù)為基礎(chǔ),我們開展了高重復(fù)頻率飛秒光纖激光器時(shí)-頻域精密控制的研究工作。分別通過(guò)反饋控制高重復(fù)頻率光纖振蕩器腔長(zhǎng)和泵浦激光器驅(qū)動(dòng)電流,實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率光纖激光器重復(fù)頻率(fr)和載波包絡(luò)相位偏移頻率(fceo)兩個(gè)自由度的精密相位鎖定,鎖定后重復(fù)頻率抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差為7.5mHz,頻率穩(wěn)定度達(dá)到了 2.6×10~（-11）,殘余相位噪聲和強(qiáng)度抖動(dòng)分別為9mrad和0.07%(積分范圍10Hz-l0MHz);鎖定后fceo頻率抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差為32mHz,相對(duì)與光頻載波的穩(wěn)定度達(dá)到1.1×10~（-16）,殘余相位噪聲和強(qiáng)度抖動(dòng)分別為16rad和1.8%(積分范圍10Hz-3MHz)。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN248

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本文編號(hào)：1304128