掺镱亚百飞秒全光纤振荡器及放大器关键技术研究

【摘要】：超短脉冲激光技术是建立在激光锁模技术、非线性调控技术及色散管理技术等研究之上的前沿综合性激光技术,也是具有广泛应用前景的研究内容。近年来,超短脉冲激光技术的快速发展,极大地推动了新材料、新技术及新产业的不断涌现,有力地促进了生物医学、微加工、阿秒科学、光学频率梳、高能物理以及等离子体物理等前沿应用研究的发展,已经成为当前人们认识和探索未知领域的最强有力工具之一。光纤激光作为超快激光领域的重要分支和研究方向,涉及新型光纤锁模技术及材料开发、新型集成化全光纤器件开发、高性能色散补偿及脉冲调制器件开发、高功率大能量光纤元器件开发及测控软硬件开发等诸多前沿技术领域。特别是随着近年来光纤型色散补偿器件如光子晶体光纤、啁啾布拉格光纤光栅、光纤高阶模色散补偿器及拉锥型光纤色散补偿器件,包括新型锁模材料如碳纳米材料、石墨烯、硫化物材料等相继被提出,都极大的推动了光纤激光器的全光纤化进程。但是,作为放大系统的种子光源,全光纤振荡器目前还存在如窄光谱、低稳定性、低信噪比、高非线性等缺陷。低重频全光纤飞秒脉冲放大技术是当前光纤放大领域又一研究热点,光纤放大的核心问题是非线性和色散管理,光纤放大所衍生的若干关键问题包括:(1)光纤非线性积累导致脉冲畸变和光谱分裂,(2)锁模及放大脉冲重频精确控制,(3)脉冲压缩与高阶色散补偿,(4)激光输出的控制和监测等。解决以上问题就需要对光纤振荡器的全光纤化和光纤放大器进行系统研究。此外,通过针对性的设计和研发高精度软硬件光路辅助及支撑系统,实现光机电一体化,将有助于推进超短脉冲光纤激光器的商业化和实用化。因此,开展锁模光纤激光器及超短脉冲放大理论和实验研究意义重大。本论文中创新性成果包括:(1)首次采用微元法结合中红外材料的光学特性,设计出一种在2-5?m波长范围内能实现色散平坦渐减的中红外光纤器件,该光纤在中红外孤子脉冲传输与压缩,超连续谱产生等领域有着非常重要的应用。(2)实验搭建了具有色散补偿腔的空间型NPE锁模光纤振荡器,获得了脉冲宽度皮秒量级、自启动、宽光谱、高信噪比的锁模脉冲。通过优化结构设计,实现对该激光器进一步的微型化、紧凑化和工程化。并在此基础上对耗散孤子锁模全光纤激光器进行深入实验研究,所搭建全光纤振荡器可实现稳定的、触屏可控的锁模输出。(3)开展基于拉锥光纤色散和非线性管理的掺镱亚百飞秒全光纤振荡器研究,通过腔内腔外色散和非线性调控,实现了重频66MHz,脉冲宽度65fs的锁模输出,光谱宽度37nm,信噪比高达70dB以上。为全光纤振荡器色散补偿及非线性器件开发提供了新思路,也为具有宽光谱输出、自启动、高信噪比全光纤振荡器的研究奠定基础。(4)光纤放大器采用光纤CPA技术结合自主设计的光纤型CFBG,兼具脉冲展宽和高阶色散补偿功能,将皮秒脉冲展宽至纳秒量级,实现低非线性积累下大幅度脉冲展宽;随后经掺镱大模场(模场面积:3300?m~2)单模光子晶体光纤进行放大,获得具有单一模式的高功率激光输出,有效降低高功率光纤放大中光克尔效应。通过高精度射频驱动电路控制下的声光调制器,实现对脉冲重频40MHz至1MHz的精确控制,选频输出脉冲的预脉冲能量占比低,放大脉冲随后导入空间光栅对压缩器进行脉冲宽度压缩。CFBG所提供的三阶负色散,完美补偿压缩器和光纤链路引入的三阶正色散,对整个放大系统进行高效色散管理,解决了光纤CPA系统中长期限制百飞秒脉冲压缩的三阶色散问题。基于以上技术支撑,开发了两套输出平均功率分别为30W和60W,重复频率为1MHz,压缩后脉冲宽度分别为153fs和196fs的光纤放大器,初步实现了光机电一体化,测试压缩输出24小时功率稳定性RMS达0.63%。此外,还开展了飞秒激光猪眼球撕囊手术、钢板及玻璃打标等应用研究,激光器运行状况良好。(5)高功率超短脉冲压缩是超短脉冲放大技术的关键环节,但光纤放大链路的光谱增益窄化,极大的限制了脉冲的极限宽度,需要借助非线性效应,进一步扩展脉冲光谱宽度,来获得更窄的极限脉冲。因此,开展充气Kagome光纤的非线性光谱展宽及脉冲宽度压缩实验,并取得初步实验结果。