本文關(guān)鍵詞：短脈沖摻鉺光纖激光器及同步泵浦中紅外光參量振蕩器　出處：《北京工業(yè)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：1.5μm短脈沖摻鉺光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點,在生物醫(yī)學、通信傳感、材料加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。實現(xiàn)短脈沖激光的主要方法有調(diào)Q和鎖模。本論文中,我們研究了基于新型可飽和吸收體——氧化石墨烯的被動調(diào)Q、被動鎖模摻鉺光纖激光器,分別獲得納秒、皮秒以及飛秒脈沖激光。其中,飛秒脈沖激光具有極強的峰值功率,有益于在非線性晶體中實現(xiàn)高效率的頻率轉(zhuǎn)換。我們采用摻鉺、摻銩飛秒脈沖同步泵浦技術(shù),在基于PPLN和GaAs晶體的光參量振蕩器中實現(xiàn)了3-7μm中紅外飛秒脈沖激光的產(chǎn)生。該波段位于大氣通訊窗口,且覆蓋眾多原子和分子吸收峰,在光譜學、遙感以及軍事領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,也是近年來的研究熱點。本論文中具體的研究工作主要包括:1.基于氧化石墨烯可飽和吸收體納秒脈沖摻鉺光纖激光器主要研究了被動調(diào)Q和類噪聲鎖模兩類產(chǎn)生納秒脈沖的技術(shù)手段。氧化石墨烯材料成本低廉、制備簡單,具有超快的恢復時間、極寬的工作波段和很強的可飽和吸收特性。同時,氧化石墨烯由于存在大量含氧官能團,表現(xiàn)出很強的親水性,可以高度分散在水溶液或其他有機溶劑中,在光學器件制備方面有很高的靈活性。氧化石墨烯被動調(diào)Q摻鉺光纖激光器采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu),隨泵浦功率的增加,激光脈沖的重頻從68 kHz增至124 kHz,脈寬由1.6μs降至470 ns。該被動調(diào)Q納秒脈沖摻鉺光纖激光器成本低、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高,有廣闊應(yīng)用前景。此外,我們還研究了基于石墨烯可飽和吸收體的類噪聲鎖模摻鉺光纖激光器,該激光器采用超長的環(huán)形腔結(jié)構(gòu),腔長約為515 m。實驗中所使用的石墨烯可飽和吸收體是通過在金鏡上沉積石墨烯-聚乙烯醇(PVA)溶液的方法制備的,這里用到的石墨烯是采用真空低溫剝離法制備得到的。振蕩器的輸出脈沖的重頻為388 kHz,脈寬為6 ns。通過摻鉺光纖放大器,最終得到平均功率553 mW,單脈沖能量1.4μJ的納秒脈沖激光。2.基于氧化石墨烯可飽和吸收體超短脈沖被動鎖模摻鉺光纖激光器研究了采用新型可飽和吸收體——氧化石墨烯的被動鎖模摻鉺光纖激光器。通過對激光諧振腔進行色散管理,可以實現(xiàn)脈沖寬度為200 fs的激光脈沖輸出。通過在諧振腔中加入色散補償光纖,可使鎖模激光器運行在正色散區(qū),進而產(chǎn)生帶有高度啁啾的耗散孤子脈沖。我們通過建立理論模型,分析了耗散孤子的產(chǎn)生機理及脈沖壓縮的極限,且該理論模擬與實驗結(jié)果具有高度一致性。此外,我們還搭建了全保偏結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯被動鎖模摻鉺光纖激光器,獲得了重頻48.2 MHz、脈寬502 fs的線偏振激光脈沖。這種線偏振飛秒激光光源結(jié)合了氧化石墨烯材料優(yōu)異的可飽和吸收性質(zhì)與全保偏光纖激光腔極強的環(huán)境穩(wěn)定性,極富應(yīng)用前景。3.飛秒脈沖同步泵浦簡并中紅外光參量振蕩器研究了基于PPLN晶體和GaAs晶體的飛秒脈沖同步泵浦簡并雙諧振中紅外光參量振蕩器。這類OPO可以輸出脈寬小于100 fs的寬帶中紅外激光,其在光譜學和生物醫(yī)學等領(lǐng)域有著重大的實際應(yīng)用。其中,基于PPLN晶體的OPO的泵浦源為摻鉺光纖激光器,采用蝶形腔結(jié)構(gòu)。需利用壓電陶瓷和PID控制模塊建立負反饋機制,實時微調(diào)OPO腔長以補償環(huán)境(氣流、振動等)對腔的擾動,實現(xiàn)同步泵浦。OPO輸出功率為70 mW,斜效率為31.45%。當OPO工作在簡并模式下,輸出光譜范圍是2.5-3.8μm。基于OP-GaAs晶體的OPO泵浦源為摻銩光纖激光器。OPO閾值僅為7 mW,輸出功率為73 mW,斜效率為40%,光譜范圍為2.6-7.5μm。我們還搭建了基于GaAs晶體OPO(3.2-5.3μm)的雙光梳系統(tǒng),可實現(xiàn)快速、高精度氣體吸收譜探測,其光譜分辨率為0.07 cm-1。這種基于同步泵浦技術(shù)產(chǎn)生的中紅外光頻梳,在醫(yī)學檢測、大氣監(jiān)測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。本論文的上述研究工作分別在兩個單位進行,其中納秒脈沖摻鉺光纖激光器和超短脈沖摻鉺光纖激光器的實驗是在北京工業(yè)大學進行的,中紅外OPO的實驗是在美國中佛羅里達大學進行的。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN248;TN753.91

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