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高重复频率超短脉冲放大及相位噪声抑制的研究

闫明  
【摘要】:高重复频率超短脉冲的放大与相位噪声抑制是实现高功率光学频率梳的一项关键技术,对脉冲相干合成放大、时-频域可分辨精密光谱测量、紫外光梳的产生、中远红外光梳的产生和光频率合成等前沿科学和尖端技术的发展意义重大。本论文正是围绕着这一主题,以“高重复频率超短脉冲的产生-脉冲光纤放大及噪声研究-脉冲精密控制与相位噪声抑制”为主线,开展了超短脉冲的产生、高重复频率锁模脉冲的实现、脉冲精密同步控制、超短脉冲功率放大以及脉冲载波包络相位噪声补偿和精密控制等几个方面的研究工作。同时,论文针对超短脉冲放大过程中的附加相位噪声问题,采用了级联啁啾脉冲放大技术有效抑制了脉冲放大过程中的自发辐射噪声和高阶非线性噪声,并利用基于声光频移器的前馈式零频噪声补偿技术实现了对高功率超短脉冲载波包络相位噪声的抑制,最终获得了平均功率7W、脉宽130fs、零频线宽1.4mHz的载波包络相位稳定的低噪声超短脉冲输出。 本论文的主要研究内容和创新点介绍如下: 1.研制成高重复频率脉冲光纤激光振荡器,获得了脉冲宽度在百飞秒量级的超短激光脉冲输出,为实现高重复频率超短脉冲放大及相位噪声抑制的研究提供长期稳定的脉冲光源。 1)基于非线性偏振旋转锁模技术和色散补偿技术,实现了全光纤飞秒掺铒激光器,其输出脉冲宽度为87fs;搭建了呼吸脉冲锁模结构的飞秒掺镱光纤振荡器,并经过外腔压缩后,获得了脉宽55fs的近红外超短激光脉冲。 2)实验上研究了被动谐波锁模光纤激光器的谐波级次对载波包络零频线宽、相位噪声和幅度噪声的影响,为进一步发展基于谐波锁模的高重复频率载波包络相位稳定的脉冲光源提供了新的依据。同时,实验利用谐波锁模技术和双包层光纤放大技术,实现了重复频率558MHz,平均功率20W,脉宽180fs的高重复频率超短脉冲放大。 2.优化完善了高功率光纤激光放大系统,实现了百瓦量级的超短激光脉冲放大,并研究了超短脉冲放大过程中的时-频域噪声特性。 1)发展完善了全光纤啁啾脉冲放大系统,以大模场双包层掺镱光子晶体光纤为放大增益介质,获得了最高输出功率为200W,脉宽-300fs的高功率超短脉冲输出,并研究讨论了超短脉冲在高功率放大过程中的分裂和畸变等问题。 2)采用多级大模场双包层掺镱光纤放大器实现了对纳秒方波同步脉冲的功率放大,最终获得了平均功率高达131W,单脉冲能量约0.55mJ的高能同步纳秒方波脉冲输出,为进一步开展光参量啁啾脉冲放大和多波长脉冲相干频谱合成放大提供同步光源。同时,在该同步系统上研究讨论了功率放大过程对同步脉冲引入的时间-相位噪声情况。 3.实现了对超短锁模脉冲在时-频域上的精密控制以及对高重复频率脉冲放大过程中相位噪声的有效抑制,并研制成高功率近红外掺镱光纤光梳系统。 1)发展了新的同步控制机制,即交叉吸收调制同步技术,并成功利用该技术实现了对纳秒锁模方波脉冲的精密时间同步控制,同步时间抖动1ps,最大同步失匹长度达8.2cm,是目前报道的最大同步失匹量。同时,该研究为进一步研究探索实现脉冲载波包络相位的全光控制技术提供了新方向。 2)发展了新的基于声光移频器的前馈式载波包络相位噪声补偿技术,有效抑制了掺镱双包层光纤放大器对脉冲引入的相位噪声,为发展高功率近红外光梳和载波包络相位稳定的脉冲相干合成放大提供新途径。 3)在前馈式载波包络相位噪声补偿的基础上,进一步实现了对脉冲载波包络相位零频和重复频率的实时精密控制,研制成高功率近红外光纤光梳系统,获得了平均功率7W,脉宽130fs的高功率光梳脉冲,其载波包络零频线宽仅为1.4mHz,相应的时间抖动为120as。该项研究为后期实现光谱合成和脉冲相干合成放大提供了可靠的光源。


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