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基于SESAMs的2μm掺铥脉冲光纤激光器的理论与实验研究

安莹  
【摘要】:相比传统固体激光器,光纤激光器具有散热容易、单程增益高、光束质量好等多方面的优势。在过去的几十年,大量的有关锁模光纤激光器的研究工作集中在1μm和1.55μm的掺镱和掺铒光纤激光器上。由于在国防、医疗、环境检测、测距和遥感等多个领域有非常重要的应用,2微米眼安全波段的掺铥(Tm)光纤激光越来越受到科研工作者的关注。首先,通过非线性频率变换,可以利用该波段激光作为泵浦源,获得在国防领域有着极为重要应用的3-5微米中红外光。3-5微米波段激光不但在光电对抗方面有重要价值,而且还是大气的另一重要“窗口”,该波段和多数分子的转动、振动能级及特征指纹谱对应,在物理学、化学、材料科学等国民经济和前沿科学研究方面有重要应用前景。其次,掺Tm光纤的增益带宽超过300nm (~1.7-2.1μm),非常适合通过锁模产生高峰值功率超短脉冲激光。此外,2μm波段激光在激光雷达等方面有重要应用。基于半导体可饱和吸收体(SESAMs)的锁模光纤激光器具有环境稳定性高,易于自启动等优点,已经成为被动锁模的研究热点之一。本文分别从理论和实验上对掺铥调Q以及掺铥锁模光纤激光器进行了研究。 1.理论方面,利用分布傅立叶方法对两种非线性薛定谔方程传输模型进行求解,在2μm波段,研究了在掺铥光纤激光器中脉冲的一些特点,验证了利用SESAMs在掺铥光纤激光器中实现单脉冲、多脉冲、正色散耗散孤子以及多种束缚态孤子等的可能性。并指出,多脉冲的机制可以是脉冲分裂,也可以是色散波整形,并指出,为减小光谱边带的影响,应尽量减小腔长。 2.实验方面,首先搭建了一台驻波腔激光器,利用792nm的尾纤输出的半导体激光器作为泵浦源,利用SESAMs作为主要的脉冲启动装置,研究了掺铥调Q激光器的一些特点,结果显示,随着泵浦功率的升高,调Q脉冲宽度逐渐减小,重复频率逐渐增加,脉冲能量也逐渐增加。 3.在腔内无色散管理,即全负色散机制下,利用调制深度为26%的SESAMs,得到了中心波长为2025nm,光谱宽度(FWHM)约5nm,重复频率为11.5MHz的锁模脉冲,其平均功率为800mW,因而单脉冲能量可达54nJ。用自相关仪测得脉冲宽度为800ps。在缩短腔体长度的情况下,得到了调Q锁模脉冲,因此我们认为,腔长对于脉冲形式有重要影响。实验中所得锁模脉冲具有四个特点:大能量、宽脉宽、窄谱宽以及大啁啾。且所得脉冲能量是截止目前在无色散管理情况下,锁模掺铥振荡器中所获得的最高单脉冲能量。 4.为优化实验结果,在腔内加入一段色散补偿光纤后,所得中心波长位于1990nm附近,光谱宽度可达10.2nm,此时脉冲的平均功率为1.1W,重复频率为7.85MHz,从而计算得到的单脉冲能量提高到140nJ。理论上可支持580fs的傅立叶极限脉冲。截至目前,这是被动锁模掺铥光纤振荡器中所得到的最大脉冲能量。


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