论文摘要
超短脉冲激光技术的迅猛发展不断推进了新材料、新技术以及新产业的涌现,促进了光通讯、光传感、生物医学、光频梳及微加工等前沿研究领域的快速发展,为人们认识和探索未知领域提供了重要工具。相对于传统的固体激光器,全光纤结构的光纤激光器由于具有集成化高、成本低、运转模式多样等独特的优势吸引了科研人员广泛关注。光纤激光器作为超快领域的重要研究方向,涉及到新型锁模技术及新型锁模材料的开发、高能量全光纤元件的开发等诸多研究领域。尤其是渐变折射率多模光纤作为可饱和吸收体的出现,解决了传统可饱和体在锁模光纤激光器中的弊端,极大的促进全光纤锁模激光器的进程,具有潜在的应用价值和更为广泛的研究意义。然而,实验上关于渐变折射率多模光纤锁模光纤激光器的报道很少,仍有很多新现象、新机理有待于我们去深入的挖掘、探索和解释。在这一背景下,我们针对基于多模光纤可饱和吸收体锁模光纤激光器展开了大量的实验研究。通过有效地调控光纤激光器的色散量和非线性参数,实现高稳定性、高功率的不同特性的超短脉冲全光纤锁模光纤激光器。本论文的主要研究内容从以下几个方面开展:1.阐述光在单模光纤与多模光纤中传输特性。总结了光纤中线性色散效应和非线性效应如自相位调制,交叉相位调制和四波混频过程。尤其在Poletti和Horak给出的多模光纤模型基础上,本论文基于多模光纤展开了大量的研究。同时介绍了多模干涉的基本概念,通过引进一些数值结果详细地阐明多模干涉的基本原理。最后,给出光脉冲在多模光纤中传输时的数值模型。2.系统地研究了基于渐变折射率多模光纤与阶跃折射率多模光纤的混合结构可饱和吸收体锁模现象,探讨了利用多模光纤实现锁模机制。在反常色散区域,深入研究多模光纤长度、弯曲程度、模场直径对锁模行为的影响,解决其在光纤激光器中传输功率低的技术难题,同时分析渐变折射率多模光纤芯径尺寸对输出功率的影响。实验中得到孤子中心波长为1598 nm,3 dB光谱带宽为3.4 nm,脉冲宽度为960 fs,平均输出功率为24 mW,对应于2.44 nJ的单脉冲能量,首次基于混合结构的多模光纤实现孤子脉冲能量高达nJ量级。3.提出并实现了一种基于多模光纤混合结构的展宽锁模光纤激光器。与负色散区域的传统孤子和正常色散的耗散孤子不同,零色散区域的展宽脉冲光谱呈现出光滑的高斯型轮廓。渐变折射率多模光纤长度为30 cm时,输出的锁模脉冲的中心波长为1595 nm,脉冲宽度为550 fs,3 dB光谱宽度为8.02 nm。当渐变折射率多模光纤长度为20 cm时,展宽脉冲的中心波长为1603 nm,脉冲宽度为310 fs,3 dB光谱宽度为14.2 nm。310 fs脉冲宽度也是当前基于混合结构多模光纤可饱和吸收体在掺铒光纤激光器中获得的最窄脉冲。通过提升泵浦功率,锁模光纤激光器由传统孤子锁模演化为稳定的展宽脉冲锁模运转。研究结果表明,传统孤子与展宽脉冲锁模的过渡归因于增加泵浦功率时渐变折射率多模光纤引起的非线性效应及色散量的改变。4.系统地研究了基于混合结构多模光纤可饱和吸收体锁模光纤激光器中束缚态孤子的产生及其相互作用。在掺铒光纤振荡器设计中,通过优化激光腔内的非线性参数和色散量,首次基于多模光纤中非线性多模干涉原理产生稳定的同相位和反相位的束缚态孤子。反相位束缚态传统孤子的光谱调制深度为25 dB,光谱调制周期为2.08 nm,脉冲间距为4.93 ps。同相位束缚态传统孤子的光谱调制深度为27 dB,光谱调制周期为1.66nm。研究结果分析表明,束缚态孤子的形成源于孤子间的直接相互作用。稳定束缚态孤子的实现进一步验证了多模光纤结构的带通滤波作用。5.利用混合结构多模光纤锁模技术研究了正常色散区域掺镱光纤激光器中脉冲的产生。首次在1μm波段的谐振腔中同时观察到调Q、调Q锁模以及锁模运转状态。随着泵浦功率的增加,调Q脉冲输出的重复频率由52.288 kHz增加到72.88 kHz,相应单脉冲宽度由4.61μs降低到3.937μs。对应的最大平均输出功率和单脉冲能量分别为3.07 mW和42.1 nJ。锁模光谱的中心波长为1064 nm,相应的光谱宽度为6.4081 nm,脉冲宽度为78.1 ps。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 赵凤艳
导师: 孙传东,王屹山
关键词: 传统孤子,展宽脉冲,束缚态孤子,可饱和吸收体,多模光纤,阶跃折射率多模光纤,渐变折射率多模光纤,光纤激光器,被动锁模,非线性效应,多模干涉效应
来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 物理学,无线电电子学
单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
分类号: TN248
DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000072
总页数: 112
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标签：传统孤子论文; 展宽脉冲论文; 束缚态孤子论文; 可饱和吸收体论文; 多模光纤论文; 阶跃折射率多模光纤论文; 渐变折射率多模光纤论文; 光纤激光器论文; 被动锁模论文; 非线性效应论文; 多模干涉效应论文;