基于被动锁模光纤激光器的超短脉冲理论与实验研究

论文摘要

相比于其他类型激光器,光纤激光器因其结构紧凑、价格低廉、无需冷却等优点成为了未来激光器的主要发展方向,甚至有可能取代固体激光器等传统激光器成为世界主流激光器类型。目前,随着全正色散光纤激光器等新型光纤激光器的研制成功,光纤激光器在最终输出脉冲能量方面已经和固体激光器相当。然而,受限于输出脉冲宽度的研究瓶颈,使得如何压缩光纤激光器输出脉冲宽度成为了当前研究热点。被动锁模技术是产生超短脉冲的主要技术手段之一,通过被动锁模技术可以有效地实现飞秒量级脉冲输出。本文主要围绕被动锁模光纤激光器中产生超短脉冲展开研究工作,通过理论建模与实验相结合的方法对被动锁模光纤激光器中产生的孤子类型进行分析,重点研究了可饱和吸收体参数对被动锁模光纤激光器输出脉冲特性的影响,设计并实现了高性能可调谐波长自相似光纤激光器,高脉冲能量Mamyshev光纤激光器,并通过自行优化设计的Mamyshev光纤激光器得到了目前为止光纤激光器中脉冲宽度最短、光谱最宽的脉冲输出。本论文的理论与实验研究对光纤激光器在产生高能量以及超短脉冲方面具有重要的科学研究意义与实际应用价值。本文的主要研究内容如下:1.通过数学建模对全正色散光纤激光器输出孤子分子的动态特性进行研究。由于腔内过高的非线性效应导致脉冲在最终输出时由单个孤子分裂成孤子分子形式,随着泵浦功率的持续提高,孤子分子并没有直接分裂成三孤子,而是通过一系列的自适应过程阻止其自身分裂,实验证明孤子分子可以承受较高非线性效应,并在自适应调整后,孤子分子中的两个孤子保持着同样的孤子特性继续传播。2.对基于黑磷为可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器进行建模与仿真分析,通过与石墨烯、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体等其他二维材料为可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器进行对比分析,发现以黑磷为可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器在脉冲输出特性上（形成脉冲所需时间、脉冲宽度、脉冲峰值功率等方面）要好于其他类型二维材料为可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器,证明了黑磷是目前为止二维材料中较为理想的可饱和吸收体材料。然后对可饱和吸收体模型进行深入研究,通过数值模拟发现调制深度、非饱和吸收系数以及饱和能量都会影响最终输出脉冲特性,并得出结论:较高调制深度和较低非饱和吸收系数可以获得高能量超短脉冲。通过上述研究可为制造高性能可饱和吸收体提供理论支持和技术指导。3.对自相似光纤激光器进行具体数值模型构建与实验研究,通过求解自相似光纤激光器模型对腔内动态变换过程进行更加深入的分析,并在实验室构建了基于掺镱光纤的自相似光纤激光器,得到了5.8 n J,83 fs的脉冲输出。实验过程中发现通过旋转光谱滤波器角度可以很好实现调谐脉冲中心波长的功能,因此对自相似光纤激光器是否存在可调谐性进行深入研究,在实验中成功实现了70 nm（1030-1100 nm）的可调谐波长范围,输出脉冲宽度约为116 fs,脉冲能量为4 n J的脉冲,通过适当调整非线性偏振旋转器件,得到另一组脉冲宽度小于100 fs的70 nm可调谐波长范围脉冲,据作者所知,这是第一次在掺镱光纤激光器中得到脉冲宽度小于100 fs的可调谐光纤激光器,证明了自相似光纤激光器是具有可调谐能力的高性能光纤脉冲激光器。4.对新型超短脉冲光纤激光器——Mamyshev光纤激光器进行了重点研究,Mamyshev光纤激光器是目前为止输出脉冲能量最高的光纤激光器,通过构建Mamyshev光纤激光器得到了60 fs,30 n J的脉冲输出。之后在Mamyshev光纤激光器原有基础上引入去啁啾平台和具有高非线性效应光子晶体光纤,通过增益光纤内自相似演化特性和极高调制深度维持腔内稳定,最终得到脉冲宽度为17 fs,光谱宽度为394 nm的脉冲输出,并通过仿真验证了实验的准确性。据作者所知,这是目前为止所有光纤激光器中输出脉冲最短、光谱最宽的光纤激光器,为人们研究极限超短脉冲提供新的研究思路与技术手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 超短脉冲光纤激光器的研究意义
•   1.3 超短脉冲光纤激光器的应用
•   1.4 调Q光纤激光器及研究现状
•     1.4.1 调Q技术原理
•     1.4.2 调Q光纤激光器最新研究进展
•   1.5 锁模光纤激光器及发展现状
•     1.5.1 主动锁模技术原理
•     1.5.2 主动锁模光纤激光器最新研究进展
•     1.5.3 被动锁模技术原理
•     1.5.4 被动锁模光纤激光器最新研究进展
•   1.6 论文主要研究内容和章节安排
• 第2章 被动锁模光纤激光器基本理论与研究方法
•   2.1 引言
•   2.2 被动锁模光纤激光器的基本理论
•     2.2.1 光纤激光器工作原理
•     2.2.2 锁模光纤激光器的系统结构
•   2.3 光脉冲传输方程的建立
•   2.4 方程求解方法
•   2.5 超短脉冲实验测量方法
•   2.6 被动锁模光纤激光器输出孤子类型
•     2.6.1 传统孤子
•     2.6.2 色散管理孤子
•     2.6.3 耗散孤子
•     2.6.4 自相似子
•   2.7 被动锁模光纤激光器输出孤子分子的仿真分析
•     2.7.1 孤子分子的产生
•     2.7.2 理论模型的建立
•     2.7.3 仿真结果与分析
•   2.8 小结
• 第3章 可饱和吸收体参数对被动锁模光纤激光器输出特性的影响
•   3.1 引言
•   3.2 基于黑磷为可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器研究
•     3.2.1 可饱和吸收体分类
•     3.2.2 仿真模型及其参数选择
•     3.2.3 仿真结果与分析
•   3.3 可饱和吸收体参数值模拟
•     3.3.1 仿真模型及其参数选择
•     3.3.2 仿真结果与分析
•   3.4 小结
• 第4章 自相似光纤激光器的理论与实验研究
•   4.1 引言
•   4.2 自相似光纤激光器的模型建立与仿真研究
•     4.2.1 自相似光纤激光器模型建立与分析
•     4.2.2 实验系统构建与结果
•   4.3 高功率可调谐波长自相似光纤激光器
•     4.3.1 可调谐波长光纤激光器研究现状
•     4.3.2 可调谐波长自相似光纤激光器的实验研究
•     4.3.3 实验结果与分析
•   4.4 自相似激光器产生超宽光谱
•     4.4.1 仿真模型及其参数选择
•     4.4.2 仿真结果与分析
•   4.5 小结
• 第5章 Mamyshev光纤激光器理论与实验研究
•   5.1 引言
•   5.2 Mamyshev光纤激光器
•     5.2.1 Mamyshev光纤激光器研究背景及意义
•     5.2.2 数学模型建立与分析
•     5.2.3 实验结果与分析
•   5.3 基于Mamyshev激光器的超宽光谱与超短脉冲的产生
•     5.3.1 周期量级脉冲产生方法
•     5.3.2 数学模型建立与分析
•     5.3.3 实验结果与分析
•   5.4 小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 主要研究成果及创新点
•   6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 马春阳

导师: 田小建

关键词: 光纤激光器,可饱和吸收体,孤子分子,可调谐波长,周期量级脉冲

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 吉林大学

分类号: TN248

总页数: 120

文件大小: 7382K

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