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飞秒激光的飞速发展源于许多领域的应用需求,其中掺镱光纤激光器得益于其高功率的优势,分别在基础科学、激光加工、精密计量、光学通讯、显微镜和光谱学方面起到了至关重要的作用。在众多超快激光系统中,超短脉冲掺镱光纤激光器因其高功率、出色的光束质量、免维护、结构紧凑等特性,得到了广泛研究。本论文主要致力于基于掺镱超短脉冲光纤激光器的研究,对飞秒激光光纤振荡器、飞秒光纤线性及非线性放大技术进行了详细的理论和实验研究,搭建了多台基于掺镱光纤的高功率激光放大系统,并基于自主搭建的激光系统,利用非线性晶体和光纤对超短脉冲波长拓展技术进行了研究,实现了多种波长的高功率大能量激光脉冲输出,为多波长的超短脉冲激光在激光加工、生物医学成像应用提供大能量的脉冲激光光源。
本论文的主要研究内容和取得的创新结果有以下方面:
1.基于非线性光学放大镜技术,研究了适用于低重复频率应用的掺镱光纤振荡器,在8MHz、6MHz和4MHz情况下实现了全光纤结构的光纤激光振荡器,首次在掺镱的非线性环形镜锁模振荡器中得到脉冲宽度小于100fs的超短脉冲,且脉冲能量接近10nJ,峰值功率100kW。实验中测量了NALM锁模振荡器的功率稳定性,在10小时内的功率抖动仅为0.04%(RMS),证明了此种振荡器优越的环境稳定性。
2.基于非线性偏振旋转锁模技术,搭建了一套基于掺镱光纤的振荡器,通过合理控制腔内色散,获得了腔内净色散在近零区域内的锁模输出,并利用光纤啁啾脉冲放大技术,实现了重复频率为75MHz的全光纤保偏放大系统,系统增益接近30dB,放大后平均功率15W,压缩后最大平均功率12W,单脉冲能量160nJ,压缩效率高达80%,压缩后的脉冲宽度为150fs。基于上述系统,利用非线性频率转化的方法,分别使用LBO和BBO晶体得到了波长为520nm和260nm的激光输出,平均功率分别为5.6W和560mW,测量了在4小时内520nm绿光激光的平均功率抖动,仅为0.16%。
3.基于抛物线型脉冲和非线性Cubicon放大原理,使用普通单模保偏光纤作为展宽器,设计并实现了脉冲宽度为200fs,脉冲能量为1μJ,重复频率为1-10MHz之间可调,中心波长位于1037nm,FWHM为8nm的掺镱光纤激光系统,脉冲宽度与变换极限宽度几乎相同,证明了基于抛物线型脉冲和非线性Cubicon放大的试验方法的可行性。基于此原理,设计并搭建了一套工程化激光器,输出脉冲宽度为230fs,重复频率为1-10MHz之间可调,中心波长位于1038nm,FWHM为10nm的线偏振脉冲输出,验证了抛物线型脉冲和非线性Cubicon放大方案的可重复性,为全光纤型超短脉冲激光系统提供了可靠的实验验证。
4.基于光纤中的SPM效应实现了掺镱光纤激光器的光谱拓展,设计并在实验中验证了光谱拓展的实际可实现性,在LMA-8光纤中初步实现了调节范围覆盖940-1250nm的可调谐脉冲,在940nm和1250nm处的脉冲能量大于30nJ,脉冲宽度介于80-120fs之间。进一步,实验中分析了增加拓展后的脉冲能量的方法,并通过增加光纤MFD和减少光纤长度增加了光谱拓展的输出能量,使用ESM-12光纤实现了在925nm到1150nm之间光谱可调谐,尤其是在1150nm处实现单旁瓣能量大于75nJ,双旁瓣能量大于100nJ,脉冲峰值功率接近1MW,转换效率接近50%。
本论文的主要研究内容和取得的创新结果有以下方面:
1.基于非线性光学放大镜技术,研究了适用于低重复频率应用的掺镱光纤振荡器,在8MHz、6MHz和4MHz情况下实现了全光纤结构的光纤激光振荡器,首次在掺镱的非线性环形镜锁模振荡器中得到脉冲宽度小于100fs的超短脉冲,且脉冲能量接近10nJ,峰值功率100kW。实验中测量了NALM锁模振荡器的功率稳定性,在10小时内的功率抖动仅为0.04%(RMS),证明了此种振荡器优越的环境稳定性。
2.基于非线性偏振旋转锁模技术,搭建了一套基于掺镱光纤的振荡器,通过合理控制腔内色散,获得了腔内净色散在近零区域内的锁模输出,并利用光纤啁啾脉冲放大技术,实现了重复频率为75MHz的全光纤保偏放大系统,系统增益接近30dB,放大后平均功率15W,压缩后最大平均功率12W,单脉冲能量160nJ,压缩效率高达80%,压缩后的脉冲宽度为150fs。基于上述系统,利用非线性频率转化的方法,分别使用LBO和BBO晶体得到了波长为520nm和260nm的激光输出,平均功率分别为5.6W和560mW,测量了在4小时内520nm绿光激光的平均功率抖动,仅为0.16%。
3.基于抛物线型脉冲和非线性Cubicon放大原理,使用普通单模保偏光纤作为展宽器,设计并实现了脉冲宽度为200fs,脉冲能量为1μJ,重复频率为1-10MHz之间可调,中心波长位于1037nm,FWHM为8nm的掺镱光纤激光系统,脉冲宽度与变换极限宽度几乎相同,证明了基于抛物线型脉冲和非线性Cubicon放大的试验方法的可行性。基于此原理,设计并搭建了一套工程化激光器,输出脉冲宽度为230fs,重复频率为1-10MHz之间可调,中心波长位于1038nm,FWHM为10nm的线偏振脉冲输出,验证了抛物线型脉冲和非线性Cubicon放大方案的可重复性,为全光纤型超短脉冲激光系统提供了可靠的实验验证。
4.基于光纤中的SPM效应实现了掺镱光纤激光器的光谱拓展,设计并在实验中验证了光谱拓展的实际可实现性,在LMA-8光纤中初步实现了调节范围覆盖940-1250nm的可调谐脉冲,在940nm和1250nm处的脉冲能量大于30nJ,脉冲宽度介于80-120fs之间。进一步,实验中分析了增加拓展后的脉冲能量的方法,并通过增加光纤MFD和减少光纤长度增加了光谱拓展的输出能量,使用ESM-12光纤实现了在925nm到1150nm之间光谱可调谐,尤其是在1150nm处实现单旁瓣能量大于75nJ,双旁瓣能量大于100nJ,脉冲峰值功率接近1MW,转换效率接近50%。