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《重庆大学》 2016年
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可调被动锁模光纤激光器关键技术研究

高磊  
【摘要】:随着特种光纤的出现和双包层高增益光纤技术的成熟,被动锁模光纤激光器以无需准直、散热好、体积紧凑等优点,已经在飞秒光源、光纤通信与传感、生化成像、激光陀螺、光学微波、超连续谱等领域得到广泛的应用。利用各类非线性纳米材料,如碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体等,周期性地调制光纤谐振腔的透射率,各阶纵模的相位被锁定,最终输出稳定的激光脉冲。但是现有的可饱和吸收体受热累积效应限制,损伤阈值低,而通过强倏逝场与材料相互作用又增大了可饱和吸收体的有效非线性系数,导致腔内激光出现谐波锁模,最终无法实现高功率、高能量的锁模激光稳定输出。此外,现阶段被动锁模光纤激光器主要利用机械等方式调谐基础参数,如脉宽、波长等,调谐参数较少,调谐方式单一。作为多纵模起振的相干光源,被动锁模光纤激光器在全光信号处理、特殊量子光源等有重要应用需求,但是目前对其模式锁定特性、偏振特性和相干性调控的研究仍然较少。本文针对现有可调被动锁模光纤激光器中存在的问题,以实现高功率、高能量和参数可调的超快光纤激光为目标展开研究,制作了基于拉锥光纤和光子晶体光纤可饱和吸收体。在此基础之上,提出了三种稳定高功率超快光纤激光器系统,提出了两种偏振态和波长间距可以通过泵浦调节的锁模激光器系统,提出并分析了一种部分锁模光纤激光器系统,并提出利用石墨烯的类似电磁诱导透明效应实现对其进行全光调控。论文的核心内容包括:(1)分析了现有被动锁模光纤激光器存在的主要问题:激光输出平均功率低和可调谐参数较少且调谐方式单一,提出了两种可饱和吸收体的制作方法。利用光压效应将石墨烯纳米颗粒吸附在拉锥光纤表面制作出具有高非线性的可饱和吸收体。通过将石墨烯溶液填充光子晶体光纤包层孔,制作出高稳定、高损伤阈值的可饱和吸收体。搭建平衡双探测器系统测量这两类可饱和吸收体的非线性响应。(2)提出三种基于光子晶体光纤可饱和吸收体的超快光纤激光器系统。在反常色散光纤激光器中实现了传统孤子激光锁模,得到了脉宽为908 fs的超快激光,并通过谐波锁模降低峰值功率将脉宽压缩为851 fs。在正常色散光纤激光腔中得到了平均功率为75 mW的耗散孤子激光输出,并利用单模光纤的反常色散将7.564 ps的脉冲压缩为245 fs。利用高效率铒镱共掺双包层光纤,结合可饱和吸收体的高损伤阈值,得到了平均功率为1.14 W的超快光纤激光。(3)利用基于拉锥光纤可饱和吸收体的强非线性值,提出了两种输出特征参数可通过泵浦调节的高相干锁模光纤激光器系统。在反常色散被动锁模激光系统中,得到矢量耦合的双波长矩形锁模激光。对输出激光进行偏振特性分析,证明该激光在两个正交偏振轴上以一定的周期进行快速地时序转换,且其转换特性随泵浦具有非线性的关系。利用色散管理技术并降低可饱和吸收体的非线性强度,观察到了调q锁模激光的束缚态。该束缚态对泵浦功率的变化极为敏感,在泵浦功率变化10mw时该激光的波长间隔从0变为0.15nm。(4)提出一种部分锁模光纤激光器系统,分别分析了偏振调谐和泵浦调谐过程中激光的演化过程。首先,理论分析具有周期性色散的光纤环形腔内参量不稳定特性。其次,搭建部分锁模光纤激光器,通过色散傅立叶变换技术测量了激光器连续周期的单帧光谱,并结合平均光谱、时序脉冲等提出了部分锁模光纤激光的演化过程。最后,综合自相关分析、滤波分析和偏振态演变分析,表明部分锁模激光存在从高相干到低相干的演变过程,为分析非孤子激光动力学提供新思路。(5)利用全光调制石墨烯的相干布居震荡来实现了对部分锁模光纤激器的调控。首先,提出石墨烯中存在类似电磁诱导透明效应,理论分析了在外加激光之间发生混频时,石墨烯的色散和损耗特性。其次,在参量不稳定增益边带下,通过调谐外加激光的偏振、波长、功率等信息验证了石墨烯具有类似电磁诱导透明效应。最后,利用外加直流激光对部分锁模光纤激光器进行全光调控,实验结果表明发生明显锁模抑制效果需要更高的功率,但是其对外加直流激光的偏振态具有更高的容忍度。论文的主要创新点为:(1)提出并搭建三种基于光子晶体光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器系统。利用光子晶体光纤的超弱倏逝场提高可饱和吸收体的损伤阈值,并分别通过耗散孤子锁模和双包层高功率泵浦技术实现高平均功率、高能量的超快激光。(2)提出并搭建一种基于拉锥光纤可饱和吸收体的双波长矩形锁模激光器。利用该元件的可饱和吸收效应和强非线性值,得到了偏振特性可以通过泵浦调节的矩形激光脉冲。(3)提出调q锁模激光束缚态的概念,并实验验证该状态的存在。该束缚态下激光光谱为多波长输出,其波长间隔对泵浦功率的变化极为敏感,在泵浦功率变化10mw时该激光的波长间隔从0变为0.15nm。(4)提出利用参量不稳定增益边带中级联的矢量四波混频过程产生强度、波长和偏振都随机化的低相干部分锁模激光,并观察到了在偏振调谐和泵浦调谐时部分锁模光纤激光的演化过程。通过对激光器单帧光谱进行自相关分析,并综合滤波分析和偏振态演变分析,表明部分锁模激光存在从高相干到低相干的演变过程,为分析非孤子激光动力学提供新思路。(5)提出石墨烯中存在类似电磁诱导透明效应,即相干布居震荡现象,搭建了外光注入环形光纤激光腔系统,在参量不稳定增益边带下,通过调谐外加激光的偏振、波长、功率等信息验证了石墨烯具有类似电磁诱导透明效应,利用外加激光调制石墨烯的相干布居震荡来实现了对部分锁模光纤激器的全光调控。
【关键词】:光纤光学 锁模激光器 可饱和吸收体 石墨烯 偏振 束缚态 部分锁模激光器 电磁诱导透明
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN248
【目录】:
  • 中文摘要3-6
  • 英文摘要6-12
  • 1 绪论12-26
  • 1.1 研究背景12-13
  • 1.2 可调被动锁模光纤激光器研究现状13-22
  • 1.2.1 激光锁模技术13-17
  • 1.2.2 被动锁模光纤激光器17-20
  • 1.2.3 可调被动锁模光纤激光器20-22
  • 1.3 本文的研究意义及内容22-26
  • 2 基于石墨烯的可饱和吸收体制备26-36
  • 2.1 石墨烯的可饱和吸收特性26-28
  • 2.2 基于拉锥光纤可饱和吸收体的制备28-31
  • 2.2.1 拉锥光纤与光吸附过程28-29
  • 2.2.2 基于拉锥光纤可饱和吸收体的光学特性分析29-31
  • 2.3 基于光子晶体光纤可饱和吸收体的制备31-35
  • 2.3.1 光子晶体光纤与光纤填充工艺31-34
  • 2.3.2 基于光子晶体光纤可饱和吸收体的光学特性分析34-35
  • 2.4 本章小结35-36
  • 3 高功率被动锁模光纤激光器36-48
  • 3.1 孤子激光与耗散孤子激光36-41
  • 3.1.1 孤子激光实验系统及结果36-39
  • 3.1.2 耗散孤子激光实验系统及结果39-41
  • 3.2 高功率被动锁模光纤激光器41-47
  • 3.3 本章小结47-48
  • 4 可调被动锁模光纤激光器48-66
  • 4.1 矩形锁模光纤激光器48-56
  • 4.1.1 实验系统及结果48-53
  • 4.1.2 偏振转换特性分析53-56
  • 4.2 基于调Q锁模束缚态的波长间隔可调谐、多波长光纤激光器56-65
  • 4.2.1 调Q锁模束缚态的物理模型56-60
  • 4.2.2 实验系统与结果60-64
  • 4.2.3 分析与讨论64-65
  • 4.3 本章小结65-66
  • 5 基于随机参量频率转换的部分锁模光纤激光器66-88
  • 5.1 随机参量频率转换66-70
  • 5.2 色散傅里叶变换超快光谱测量的基本原理70-71
  • 5.3 实验系统及结果71-75
  • 5.4 部分锁模光纤激光的演化过程75-81
  • 5.4.1 基于偏振调节的演化过程75-78
  • 5.4.2 基于泵浦功率调节的演化过程78-81
  • 5.5 部分锁模激光的相干性分析81-86
  • 5.6 本章小结86-88
  • 6 部分锁模光纤激光器的全光调控88-100
  • 6.1 基于石墨烯全光调控的基本原理88-93
  • 6.2 实验系统与结果93-98
  • 6.2.1 参量不稳定增益边带的全光调控93-97
  • 6.2.2 部分锁模激光的全光调控97-98
  • 6.3 本章小结98-100
  • 7 全文总结与展望100-104
  • 7.1 内容总结100-101
  • 7.2 论文创新点101-102
  • 7.3 论文不足及进一步研究展望102-104
  • 致谢104-106
  • 参考文献106-122
  • 附录122-124
  • A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文122-123
  • B. 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录123-124

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