【摘 要】
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2μm激光光源处于人眼安全波段、位于大气窗口,在激光技术、大气探测、材料加工和激光医疗等多个领域有极好的发展前景。其中,锁模掺铥光纤激光器因兼具光纤激光器的高光束质量、转换效率和锁模激光器的窄脉宽、高峰值功率的优势而备受青睐。进一步,结合被动锁模技术以探求实现具备高脉冲能量、高稳定性的掺铥光纤激光器,更加可以作为2μm大功率激光器的可靠种子源。因此,本文设计并搭建了基于非线性环形镜的锁模掺铥光纤激
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2μm激光光源处于人眼安全波段、位于大气窗口,在激光技术、大气探测、材料加工和激光医疗等多个领域有极好的发展前景。其中,锁模掺铥光纤激光器因兼具光纤激光器的高光束质量、转换效率和锁模激光器的窄脉宽、高峰值功率的优势而备受青睐。进一步,结合被动锁模技术以探求实现具备高脉冲能量、高稳定性的掺铥光纤激光器,更加可以作为2μm大功率激光器的可靠种子源。因此,本文设计并搭建了基于非线性环形镜的锁模掺铥光纤激光器,充分利用长腔被动锁模以及保偏化光学元器件的优势来提升输出脉冲能量与锁模稳定性等关键性能。本文的主要研究工作如下:首先论文总结了被动锁模光纤激光器不同实现形式的研究进展并对各自的优缺点进行分析,结合本文研究目标,采用非线性光学环形镜（NOLM）锁模技术来设计激光器。分析了脉冲在光纤中的传输特性,并对单模光纤中脉冲的传输方程进行推导,研究了该方程的常用数值求解方法对称分步傅里叶法,为后续的仿真提供了理论基础。建立了NOLM的数学模型,通过对其透过率方程的仿真,分析了如何选择耦合器分光比及环内单模光纤长度,为实验提供指导。搭建了基于NOLM的锁模掺铥光纤激光器,并针对输出效率以及稳定性问题对激光器进行优化。最终在泵浦功率29.8W时,获得了重复频率1.602MHz,最大单脉冲能量和平均功率分别为2.02μJ、3.24W,斜率效率11.21%的类噪声脉冲输出。此时,脉宽为10.2ns,峰值功率被钳制在192W。在输出功率1.013W时,对输出功率进行长达5小时的监测,其标准偏差值仅0.00143W。最后,针对脉冲能量、脉冲宽度、峰值功率等锁模脉冲输出特性难以兼顾的问题进行探讨。建立了NOLM锁模掺铥光纤激光器的理论模型,分析了NOLM环内光纤非线性系数γ以及光纤长度L对锁模脉冲特性的影响。依据数值模拟结果,采用低非线性系数光纤进行实验,获得最大脉冲能量和平均功率分别为1.855μJ、3.506W,脉冲宽度为4.29ns,同时峰值功率有效提升至435W。此外,进行了NOLM环长对比实验,结果表明的输出特性演化规律与仿真结果一致。
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