基于SESAM的被动锁模光纤激光器及其动力学研究

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被动锁模光纤激光器(Passively Mode-Locked Fiber Lasers,PMLFL)容易输出功率较大、脉宽较窄、稳定性较高的超短激光,近年来成为研究人员的目光落点。目前主要通过将自然可饱和吸收体(Saturable Absorber,SA)或者等效SA加入激光腔中来实现输出超短锁模脉冲的目的。此外,PMLFL是极为复杂的耗散非线性系统,是研究脉冲动力学的极好平台,研究其动力学对于将PMLFL投入实际应用中具有重要的意义。本文围绕基于半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror,SESAM)的PMLFL展开对其输出特性及动力学的研究。分析了锁模形成的物理机制,研究了光纤环形谐振腔中对脉冲的传输有一定影响的因素,提供了脉冲传输于光纤中的传输方程并且对方程进行了一定的修正,为后续设计和实际搭建PMLFL提供了理论基础。在理论分析的基础上,设计并实际搭建了基于SESAM的PMLFL,在不同情况下分别得到了调Q锁模(Q-Switched Mode-Locked,QSML)脉冲输出和连续波锁模(Continuous-Wave Mode-Locked,CWML)脉冲输出,并且实现了QSML与CWML这两种状态的相互切换。分别研究了当激光器处于QSML和CWML状态时,输出特性会怎样随泵浦功率或腔内偏振控制器的变化而变化,并且验证了该激光器分别处于QSML和CWML状态时的长期稳定性。此外,还研究了实验中QSML和CWML状态相互切换的条件。为了研究所搭建的基于SESAM的PMLFL中的一些不具有重复性的瞬态演化过程,基于时间拉伸色散傅里叶变换(Time-Stretch Dispersive Fourier Transform,TS-DFT)技术搭建了脉冲动力学测量系统,利用具有比较大的群速度色散的色散元件将光谱映射至时域,使得经过色散拉伸后的光脉冲的时域波形能够反映出光谱信息,由此可以分析光脉冲的单次光谱信息,进而分析激光器不同状态间切换的瞬态演化过程。利用以上测量系统,实时测量了QSML的建立的动力学过程、CWML的建立的动力学过程以及CWML与QSML的切换的演化动力学过程,观察到了光谱动态红移、呼吸动力学、脉冲消亡、脉冲分裂、脉冲分离等动力学过程,发现CWML与QSML相互切换的过程互为逆过程,以及该激光器可通过两种不同路径到达CWML状态,分别为经历QSML状态与不经历QSML状态。本文的研究工作为研究不同的锁模光纤激光器(Mode-Locked Fiber Lasers,MLFL)中不同的动力学过程提供了重要的思路与参考,在一定程度上丰富了MLFL中脉冲动力学相关的研究,在MLFL的设计与优化等方面具有一定的参考价值与应用价值。
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