论文部分内容阅读
3-5μm的中波红外激光因其位于大气透明窗口,且恰好覆盖了多种分子的特征吸收谱线,长期以来一直是激光领域一大研究热点。近年来,随着被动锁模光纤激光器的飞速进展和超短脉冲激光放大技术的日趋成熟,使用脉冲宽度更短、峰值功率更高的飞秒激光器作为非线性晶体的泵浦激光替代传统的长脉冲激光器完成参量转换,开始进入学者和工程技术人员的视野。其中使用基于准相位匹配技术(QPM)的周期性畴极化反转氧化镁掺杂的铌酸锂晶体(PPMgLN),因有效非线性系数大,输出波长调谐范围宽,抗损伤阈值高,设计灵活等特点,在非线性频率转换中得到了广泛关注。基于此,本论文主要围绕如何设计优化飞秒光纤激光器及其泵浦的单程参量转换装置,产生高亮度、高转换效率的中波红外激光展开。主要工作分为三个方面,作为非线性频率转换泵浦源的主振荡-功率放大(MOPA)结构的初始啁啾管理飞秒光纤激光器(PCMA)的实验研究、线偏振飞秒光纤激光器泵浦的基于放大自发辐射光源(ASE)的光参量放大器(OPA)的实验研究和自注入种子的飞秒光差频产生器(DFG)的实验研究。在MOPA型线偏振脉冲光纤激光器研究中,首先使用了非线性偏振旋转技术(NPR),搭建了一个全正常色散腔的稳定锁模激光种子。其能输出重复频率84MHz,脉冲宽度3.8ps,单脉冲能量1.2nJ的近线性啁啾稳定锁模脉冲序列。通过偏振相关隔离器后在非保偏光纤内的线性激光放大,激光脉冲的平均功率被提升到500mW,同时利用偏振控制器将偏振消光比优化到10dB以上。放大后的脉冲保持了近线性啁啾特性,压缩后的脉冲宽度可以达到近143fs。在功率放大级中采用了初始啁啾管理放大技术(PCMA),通过改变光纤激光器输入脉冲的初始色散,在47W泵浦功率下获得了平均功率超过20W的超短脉冲输出,压缩后的脉冲宽度小于100fs。此外,对高功率脉冲簇光纤激光器进行了一定的实验探索。利用脉冲重复频率倍增器将脉冲重复频率提升到1.344GHz,通过声光调制器选出重复频率为2MHz的脉冲簇,并测试了不同占空比下的激光器的输出性能。本文针对单程差频的OPA/DFG,分别介绍了两种不同种子注入的典型光参量放大器,并在阈值、最佳聚焦条件、输出光谱宽度等关键参数方面进行了相应的数值计算;同时使用上述的飞秒光纤激光器和实验室自制的PPMgLN晶体,针对这两种单程参量转换分别进行了实验研究。首先详细介绍了一种采用非相干光源注入的飞秒OPA,其输出在时域上保持了飞秒脉冲的高重频、短脉宽特性,同时在频域上继承了种子信号光无纵模的特点。OPA的种子信号光由一个中心波长位于1580nm,放大后的ASE光源提供。受限于PPMgLN晶体的损伤阈值,当泵浦功率为10.15W时,OPA输出了最大600mW的中波红外宽带激光,相应的泵浦到参量光总转换效率为32.7%。其闲散光光谱带宽约为291.9nm,中心波长位于3.34μm。介绍了飞秒激光在光子晶体光纤中产生超连续谱的实验。通过仿真设计,使得超连续谱的能量尽可能地落在需求的波段内。将获得的超连续谱作为种子信号光,在5cm长度的PPMgLN晶体中通过自注入种子DFG获得了平均功率大于1W,中心波长3550nm的中波红外闲散光输出。泵浦光和信号光源在时域上源于同一个谐振腔,通过简单时延可以完成同步。这也是目前通过单程差频的手段在中波红外波段获得的最大平均功率飞秒激光。输出的中红外激光在1小时内的功率抖动标准差小于1%,竖直与水平方向上的光束质量分别为2.42和2.08,可以在精密光谱检测、生物医疗成像等领域得到广泛的应用。