高重復(fù)頻率、寬光譜飛秒光纖激光器研究.pdf

1、飛秒光纖激光器主要應(yīng)用在光模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、飛秒激光頻率梳產(chǎn)生、光學(xué)任意波形產(chǎn)生和光學(xué)相干斷層掃描等方面，并在新的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。這主要得益于飛秒光纖激光器體積小、成本低、易操作、能量轉(zhuǎn)換效率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。目前，對飛秒光纖激光器的研究主要向滿足實際應(yīng)用需求的方向發(fā)展，其中，高重復(fù)頻率超短脈沖光纖激光器的研究是國際熱點之一。
　　本文主要研究如何優(yōu)化飛秒光纖激光器的輸出脈沖特性，涉及到重復(fù)頻率、光譜寬度、脈沖寬度以及時間抖

2、動等指標(biāo)。論文的主要工作和取得的成果如下：
　　第一，根據(jù)被動鎖模光纖激光器的物理模型，建立了數(shù)值仿真平臺，并對基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）鎖模的光纖激光器和基于NPR和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）混合鎖模的光纖激光器進行了數(shù)值仿真，包括鎖模建立過程中脈沖時域波形和光譜的演化，鎖模建立后光纖激光器輸出脈沖的波形和光譜形狀，以及在諧振腔中循環(huán)時脈沖和光譜的演化過程。
　　第二，通過對色散和非線性效應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)了一種高

3、重復(fù)頻率、寬光譜鎖模飛秒光纖激光器，激光器通過NPR實現(xiàn)被動鎖模。該激光器基頻重復(fù)頻率大于200MHz，鎖模最大平均輸出功率為84.8mW，輸出脈沖寬度為56.5fs，能量轉(zhuǎn)換效率為12.1％，單脈沖能量為0.42nJ，脈沖峰值功率超過7kW。通過調(diào)節(jié)諧振腔內(nèi)波片和泵浦光功率，進一步研究了激光輸出脈沖的光譜演化特性。該光纖激光器可以直接產(chǎn)生脈寬為44.6fs的輸出脈沖和寬度（半高全寬，F(xiàn)WHM）為148nm的平坦光譜，這種激光器在基于波

4、分復(fù)用（WDM）的超高速光采樣系統(tǒng)中有重要應(yīng)用需求。通過利用SF10棱鏡在激光腔外對脈沖進行壓縮，在不改變光譜寬度的前提下，得到最窄的脈沖寬度為34.3fs。
　　第三，通過實驗證實了利用腔內(nèi)帶通濾光片（BPF）能夠有效改善寬譜NPR鎖模飛秒光纖激光器的時間抖動。分析和比較了諧振腔內(nèi)沒有BPF和有BPF時光纖激光器的脈沖輸出特性。當(dāng)諧振腔內(nèi)使用40nm帶寬的BPF時，激光器的時間抖動從29.9fs減小到17.4fs（1kHz-10

5、MHz），改善幅度高達42%。這主要是因為BPF的濾波效應(yīng)降低了量子噪聲導(dǎo)致的光頻率平均位置的波動。腔內(nèi)加入BPF后激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率為201MHz，脈沖寬度為73.9fs，光譜寬度為61.4nm。這種高重復(fù)頻率、低時間抖動寬譜光纖激光器有望成為高速高精度光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的理想光源。
　　第四，有效結(jié)合NPR和SESAM兩種鎖模方式，實現(xiàn)了一種混合鎖模摻鉺光纖激光器。其中NPR用來整形超短脈沖，SESAM用來自啟和穩(wěn)定鎖模。

6、激光器鎖模輸出脈沖的基頻重復(fù)頻率為212MHz，光譜寬度為61.4nm。脈沖寬度為41.9fs，接近理論的變換極限，且時域脈沖波形兩側(cè)沒有出現(xiàn)脈沖底座或者子脈沖。當(dāng)泵浦光功率為700mW時，激光器平均輸出功率為65mW，對應(yīng)的單脈沖能量為0.31nJ。實驗結(jié)果與理論數(shù)值仿真結(jié)果吻合較好。激光器能夠自啟鎖模且能穩(wěn)定運行30小時以上。這種高重復(fù)頻率超短脈沖光纖激光器有望成為光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和光學(xué)頻率梳產(chǎn)生等的理想光源。
　　第五，通過N

7、PR和SESAM兩種鎖模方式實現(xiàn)自啟和穩(wěn)定鎖模，同時在諧振腔中對色散和非線性效應(yīng)進行協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)了一種可調(diào)的諧波混合鎖模光纖激光器。通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)波片和注入到諧振腔的泵浦光功率，2次（167MHz）到8次（667MHz）之間的諧波鎖模均能實現(xiàn)。對于最高的重復(fù)頻率，輸出脈沖的光譜寬度為181nm，脈沖寬度為218fs，通過外腔去啁啾，脈沖寬度可以壓縮到91fs。激光器的平均輸出功率為136mW，SMSR大于60dB。對于4次諧波鎖模（33