光纤激光器中少光学周期脉冲产生及频率变换研究

【摘要】：超短脉冲光纤激光器以其独特的优势包括结构紧凑,易于维护,高性价比被广泛应用于微加工,光学相干成像,频率计量等方面。目前超短脉冲光纤激光器在脉冲能量和重复频率上可以和固体飞秒激光器相媲美。在脉冲宽度方面,虽然光纤激光器可以输出百飞秒脉冲,但对于更短脉冲比如少光学周期脉冲,光纤激光器很难直接输出,这主要是受限于掺杂光纤增益带宽(~40 nm)。另外,限制于掺杂元素种类,现阶段主要的飞秒光纤激光器为掺镱,掺铒和掺铥光纤激光器,其工作中心波长分别为1060 nm,1550 nm,2000 nm。在实际应用中,往往需要更广泛的波长。因此,打破增益带宽极限,获得少光学周期脉冲以及突破掺杂元素种类的限制,获得新波段超短脉冲光纤激光器是进一步拓展飞秒光纤器应用范围的关键。本文工作主要分为两方面:一是少光学周期脉冲光纤激光器;二是利用频率变换技术-光纤中的切伦科夫辐射,获得新波段超短脉冲光纤激光器。主要成果如下:1.通过腔外放大压缩技术,我们展示了全光纤结构的1550 nm少光学周期脉冲源。只需单级压缩就得到了光谱宽度137 nm,脉宽22.7fs(四个光学周期)的超短脉冲,这是目前为止1550 nm波段,全光纤结构,单级压缩的最好结果。2.基于光纤中的切伦科夫辐射效应(FOCR),我们成功地将1550nm飞秒脉冲以15%效率转化成1300 nm飞秒脉冲。该脉冲源可以在1270到1315 nm之间调谐,同时脉冲宽度保持在40 fs以下,最大单脉冲能量为76 pJ。通过色散管理,输出脉宽最短为29 fs,这是目前为止全光纤结构的1300 nm飞秒脉冲源中最短的。3.基于光纤中的切伦科夫辐射效应,我们首次展示了全光纤结构,宽带可调谐的920 nm飞秒脉冲源。中心波长可调谐范围为905至960 nm,典型输出脉宽为232 fs。输出光谱带宽为30~50 nm,如果能压缩到脉冲极限,则能得到40 fs左右脉冲。4.我们探讨了光纤中后向切伦科夫辐射产生的可能性。通过光纤后向切伦科夫辐射的相位匹配公式,发现其相位匹配波长主要取决于入射波长处的群折射率和相折射率差,理论计算得到了高非线性色散位移光纤中后向切伦科夫辐射产生波长。我们还设计了光纤中后向切伦科夫辐射产生的实验方案,定性分析了后向切伦科夫产生的实验条件。本文研究了少光学周期脉冲以及基于光纤切伦科夫辐射效应的新波段超短脉冲源的产生,进一步推动了超快光纤激光器的发展。