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被动锁模光纤激光器中非线性脉冲动力学的研究

李辉辉  
【摘要】:超短脉冲光纤激光器已逐渐应用于激光通信、光纤传感、精密加工、生物医疗、国防军事等领域,同时也是非线性光学等理论研究的前沿课题,已成为国家战略和高端工业产业的核心技术之一。近年来,利用非线性脉冲动力学对超短脉冲光纤激光器的运转机制进行研究引起了学术上的广泛关注。不同工作波段的掺镱、掺铒和掺铥光纤激光器中的非线性脉冲动力学过程各有其特点,通过实验和理论模拟可以详尽且系统地对被动锁模光纤激光器中稳态脉冲的整形机理进行研究。实验和理论研究证实了超长谐振腔被动锁模掺镱光纤激光器中巨啁啾脉冲的产生,阐述了耗散机制与稳态脉冲之间的关系;报道了色散管理掺铒光纤激光器中的非线性脉冲动力学特性,明确了谐振腔中脉冲的整形机理;搭建了高重复频率、高脉冲能量的半导体可饱和吸收镜锁模掺铥光纤激光器,进一步提出了搭建高性能掺铥光纤激光器的新方案。本论文主要研究工作包括:1.被动锁模掺镱光纤激光器中的耗散孤子从实验和理论上详细研究了全正色散掺镱光纤激光器中耗散孤子的形成机理,并将耗散理论扩展到色散管理腔中,利用空芯光子晶体光纤在1μm处负群速度色散的特性,从理论上分析了色散管理掺镱光纤激光器输出耗散孤子参数与谐振腔净色散值之间的关系。实验中利用非线性偏振旋转锁模技术在2000 m长的掺镱光纤激光器中得到了稳定的巨啁啾脉冲,研究了受激喇曼散射对耗散孤子产生的影响;利用数值模拟讨论了巨啁啾脉冲的相位信息与频率啁啾的可补偿特性,从理论上分析了超长腔被动锁模光纤激光器中稳态脉冲产生的机理和限制条件。在实验上研究了被动锁模掺镱光纤激光器中输出脉冲随泵浦功率增加逐渐展宽的耗散孤子共振现象,利用扩展的非线性薛定谔方程,对耗散孤子共振现象进行了理论探究,对实验现象做出了合理的分析与解释。2.被动锁模掺铒光纤激光器中的非线性脉冲动力学从实验和理论上研究了色散管理掺铒光纤激光器中的非线性脉冲动力学特性。利用在1.5μm处正群速度色散特性的色散补偿光纤,对掺铒光纤激光器进行色散管理,报道了色散管理掺铒光纤激光器中不同净群速度色散值下脉冲的产生机理,将腔内各个元器件模块化,利用合理的物理模型,描述了掺铒光纤激光器中脉冲的演化特性。实验中在同一台色散管理掺铒光纤激光器中通过调节参数分别得到两种不同演化特性的耗散孤子,激光腔中的光谱滤波效应为耗散孤子在同一谐振腔中的转换提供了必要条件。色散管理谐振腔中存在的多个非线性波让我们对不同脉冲的动力学特性有了更好的理解,同时使我们能更深入地研究扩展的非线性薛定谔方程所描述的耗散系统。3.被动锁模掺铥光纤激光器从实验和理论上对被动锁模掺铥光纤激光器中脉冲形成机理做了详细地研究。搭建了一台半导体可饱和吸收镜锁模的掺铥光纤激光器,重复频率高达108MHz,可直接输出712 fs超短脉冲,单脉冲能量为0.65 nJ。将耗散理论扩展到2μm被动锁模掺铥光纤激光器中,利用数值模拟研究了色散管理掺铥光纤激光器中耗散孤子的形成。通过加入合适的光谱滤波器,在谐振腔不同输出位置分别得到高斯型脉冲和抛物线型脉冲,这极大地丰富了掺铥锁模光纤激光器中非线性脉冲动力学的研究内容,带有线性啁啾的抛物线型脉冲形成机理给高性能掺铥光纤激光器的研制提供了可靠并极具吸引力的理论指导。


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