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耗散孤子光纤激光器的研究

王擂然  
【摘要】:光纤激光器由于具有增益特性好、转换效率高、阈值低、结构紧凑、经济实用和稳定性高等优点,得到了广泛而深入的研究。传统的负色散孤子光纤激光器利用腔内反常色散和克尔非线性的平衡作用实现了锁模,然而受孤子面积理论的限制,传统孤子的能量通常限制在0.1nJ左右。当脉冲能量较高时将导致光波分裂。展宽脉冲通过增大腔内脉冲平均宽度以进行非线性控制,将脉冲能量提高了一个数量级以上。具有抛物线形状的脉冲,可以在光纤正色散区保持脉冲形状不变进行自相似传输,因此能够实现高能量脉冲输出;但是脉冲能量严格受到增益带宽的限制。最近几年来,一种新型的正色散耗散孤子(DS)脉冲光纤激光器引起了研究者的极大兴趣。DS光纤激光器属于非线性系统,其建立锁模的过程主要依赖于激光系统的能量增益和损耗的动态平衡。其物理规律完全不同于其他传统常见脉冲,它可以突破传统孤子光纤激光器所受到的能量限制而不发生光波分裂。因此,基于DS脉冲的研究有着具有深远的实际意义和广阔的应用前景。本文通过对正色散DS脉冲光纤激光器进行实验和理论研究,分析了其产生机理以及激光腔的各项参数对于输出脉冲物理特性的影响。 本文的主要研究内容如下: 1.在正色散掺铒光纤激光器中实现了稳定的DS锁模脉冲输出。常见的DS脉冲(RS-DS)光谱形状近似为矩形,具有陡峭的边沿。由于腔内正色散及非线性效应的共同作用,脉冲具有极大的正啁啾。实验中发现RS-DS脉冲的啁啾近似为线性。经过负色散单模光纤进行压缩后,脉宽可达飞秒量级,接近变化极限。此外,本文对该类型DS脉冲特性、产生机理及其演化规律也进行了数值模拟和理论分析,与实验结果一致。 2.对DS脉冲随泵浦功率的变化进行了研究。随泵浦功率的升高或降低,脉冲数目逐个增多或减少。实验结果表明该类型脉冲的输出稳定性受到能量上限影响。同时发现了DS脉冲的能量量化效应,即产生一个新的RS-DS脉冲所需的泵浦功率增量近似为常数。在实验中还获得了详细的DS脉冲形成过程。该研究同时证明了具有不同能量的DS脉冲可以在同一个激光器中共存。此外,实验中发现随着泵浦功率变化,DS脉冲类型亦可发生变化。 3.常见的RS-DS脉冲在高功率下将形成多个脉冲,因此无法实现更高能量输出。在进一步的实验中发现了三种不同类型的高能量无波分裂脉冲。第一种随泵浦功率升高,脉冲宽度及光谱宽度均增大。第二种脉冲光谱为圆滑的高斯型,而脉冲形状近似为矩形(方波)。随泵浦功率增加,脉冲带宽和峰值功率近似不变,而脉宽急剧增加。第三种随泵浦功率升高,光谱宽度急剧增大。同时脉冲宽度逐渐减小。在最高泵浦功率水平下,该类型脉冲的带宽可达~73nm,同时可以实现极高的脉冲能量(~200nJ)和峰值功率(~3.5kW)。 4.不同类型的脉冲可以通过改变激光腔内的偏振状态而获得。实验中在同一个激光腔中通过改变偏振状态得到了四种物理特性完全不同的激光脉冲输出。分别为:RS-DS脉冲、高斯型光谱DS、类噪声脉冲和高能量宽带脉冲。通过将不同脉冲注入到PCF中以产生超连续谱和在腔外对脉冲进行偏振态分解等手段对脉冲物理特性及形成机理进行了更深入的分析与讨论。


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