基于非线性多模干涉效应的全光纤锁模激光技术研究

论文摘要

自1966年被DeMaria及Stetser等人在钕玻璃激光器中首次实现后,锁模激光脉冲因其超短持续时间、高峰值功率、宽光谱带宽和高光束质量等优良、迷人的特性受到了材料学、生物医学、光子学等领域研究人员的青睐。锁模光纤激光器作为许多光子系统的基本构件,已成功应用于工业、医疗和科学研究中,也为光子系统的高集成度提供了新的机遇和挑战。作为实现锁模的关键器件,饱和吸收体的发展和需求也遇到了新的难题和瓶颈。近年来,非线性开关技术,特别是多模光纤中的非线性多模干涉（nonlinear multimode interference,NL-MMI）效应为饱和吸收体的高损伤阈值和高集成度的实现带来了福音。本论文以被动锁模光纤激光器为载体,系统地研究了NL-MMI效应的饱和吸收特性,从理论、数值模拟和实验方面证明了基于NL-MMI效应实现稳定锁模的技术方法,并得到了高能量的锁模脉冲。最后,实验上发现了“怪波”、多峰脉冲等特殊的非线性现象,数值模拟了偏振模色散对脉冲能量和包络特性的调控机制。本论文的主要研究内容包括:1.实现了基于NL-MMI效应的的调Q锁模光纤激光脉冲输出,研究了调控锁模脉冲稳定性的技术方法。实验上首次得到了基于NL-MMI效应的调Q锁模脉冲,实现了对调Q包络30%的调制深度变化量调控,发现了调Q锁模脉冲矩形包络的动态演化现象;理论分析了抑制锁模脉冲调Q不稳定性的技术方法,讨论了饱和吸收体调制深度以及泵浦功率等参数对锁模状态稳定性的调控作用。2.实验验证了调控锁模脉冲稳定性的技术方法,得到了1034 nm和1560 nm波段稳定的孤子脉冲输出。在1微米波段使用高增益掺杂光纤得到了2.7ps的啁啾耗散孤子;通过调控饱和吸收体参数在1566 nm波段实现了1.3ps的传统孤子。实验得到了1570 nm波段的耗散孤子,时间带宽积为24.6,数值模拟了引起啁啾耗散孤子不稳定性的影响因素。3.得到了高能量的锁模脉冲输出,揭示了基于NL-MMI效应的光纤激光器中不同锁模状态转换的物理机制。实验得到了最大脉冲能量为0.38 nJ的传统孤子,突破了传统孤子脉冲能量理论极限,并得到了输出能量高达4 nJ的展宽脉冲。提出了多模光纤中“基模”（principle modes）对谐振腔内总色散量的调控机制,数值分析了偏振对锁模状态的转换作用;借助时间拉伸-傅里叶变换超快测量技术,表征了孤子脉冲的动力学过程,发现了多模光纤对脉冲能量的重新分配以及走离效应的抑制作用。4.发现了传统孤子到展宽脉冲过渡区的新奇非线性现象。实验上观察到了光学“怪波”的现象,得到了最大脉冲强度与有效波高比值θ=2.5的高能量脉冲,揭示了高能量传统孤子过渡到更高能量展宽脉冲的物理机制;发现了双峰、三峰到单峰脉冲的连续演化现象。提出了偏振模色散调控“怪波”和多峰脉冲产生的激光物理机制,建立了相应的理论模型;数值模拟结果表明,偏振模色散增大到0.074 ps时,出现了比值因子θ高达4.5的“怪波”脉冲;当偏振模色散为0.046 ps时,得到了动态演化的双峰及多峰脉冲。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 被动锁模光纤激光器
•     1.2.1 光纤激光器概述
•     1.2.2 被动锁模器件
•     1.2.3 被动锁模器件的发展和存在的问题
•   1.3 非线性开关技术
•     1.3.1 概述和分类
•     1.3.2 NL-MMI在锁模光纤激光器中的应用和发展
•   1.4 基于多模干涉效应饱和吸收体的实现方法
•     1.4.1 微调长度
•     1.4.2 增加高阶模式
•     1.4.3 大芯径多模光纤
•   1.5 本论文的研究目的和意义
•   1.6 本论文的研究内容和具体安排
• 第2章 基于多模干涉效应的锁模脉冲产生原理
•   2.1 前言
•   2.2 光纤激光器被动锁模原理
•   2.3 饱和吸收体作用
•   2.4 SMF-GIMF-SMF结构的饱和吸收特性
•   2.5 多模光纤中孤子脉冲的传输特性
•     2.5.1 数值模拟方法
•     2.5.2 数值模拟结果
•   2.6 小结
• 第3章 调Q锁模激光器
•   3.1 前言
•   3.2 调Q锁模激光脉冲
•     3.2.1 实验装置
•     3.2.2 调Q锁模阶梯形脉冲
•     3.2.3 调Q锁模sech2形脉冲
•     3.2.4 调Q锁模矩形脉冲
•   3.3 调Q锁模状态分析
•   3.4 小结
• 第4章 孤子锁模激光器
•   4.1 前言
•   4.2 1.03 μm孤子锁模脉冲
•     4.2.1 实验装置
•     4.2.2 耗散孤子产生
•     4.2.3 数值模拟结果
•   4.3 1.56 μm孤子锁模脉冲
•     4.3.1 传统孤子锁模脉冲
•     4.3.2 耗散孤子锁模脉冲
•     4.3.3 数值模拟结果
•   4.4 小结
• 第5章 高能量锁模脉冲产生
•   5.1 前言
•   5.2 实验装置
•   5.3 两种锁模状态的过渡转变
•   5.4 孤子脉冲的高能量特性
•   5.5 实时光谱表征测量
•   5.6 两种孤子的转换机制
•     5.6.1 物理机制
•     5.6.2 数值模拟结果
•   5.7 小结
• 第6章 锁模状态过渡区的非线性现象
•   6.1 前言
•   6.2 多脉冲混沌状态
•   6.3 “怪波”脉冲产生
•   6.4 多峰脉冲产生
•   6.5 偏振模色散的影响
•     6.5.1 偏振模色散对“怪波”的调控作用
•     6.5.2 偏振模色散对多峰脉冲产生的影响
•   6.6 小结
• 第7章 总结和展望
•   7.1 本论文的主要研究成果
•   7.2 对未来研究工作的展望和安排
• 参考文献
• 附录 符号及缩写词
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈广伟

导师: 赵卫

关键词: 锁模光纤激光器,非线性多模干涉,孤子,怪波,饱和吸收体,高能量,调锁模,偏振模色散

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

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: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TN248

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000101

总页数: 122

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