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与传统的固体激光器相比,光纤激光器由于环境稳定性高,结构紧凑,便携等多方面的优势成为世界的研究热点,在工业上最有可能成为普及化的飞秒激光技术,在基础研究,军事研究,医学发展方向上也有很大的应用前景。本文主要介绍了光纤激光器及其关键锁模器件的理论和实验研究,包括了5个章节的内容:
第一章是研究背景和论文的工作及意义介绍。在近年的发展中,超短脉冲在器件结构、可靠性能以及操作使用方面都取得了重大的进步。而利用二极管激光器直接泵浦掺杂稀土元素的光纤激光器产生超短激光脉冲就是实现低成本,集成化的飞秒激光脉冲技术的新手段。本章简要回顾了光纤激光器及器锁模器件的发展史,本课题的主要工作是从理论和实验上研究光纤激光器以及其部分锁模器件的相关技术。
第二章介绍了锁模光纤激光器的基本理论和模型,推导了超短激光脉冲在光纤中传输所满足的非线性薛定谔方程,并讨论分析了主要的影响因素-光纤中非线性效应和群速度色散对脉冲的影响,以及在色散和非线性效应平衡的条件下产生光学孤子的机制和特点;并在此基础上给出锁模光纤激光器的数值模型Ginzburg-Landau方程,根据分步傅立叶法数值解析,同时给出了锁模光纤激光器的锁模启动方式,包括非线性偏振旋转和半导体可饱和吸收镜。
第三章是基于上述的锁模光纤激光器的理论,建立了光纤激光器锁模模型,通过设置不同的参数可以得到不同的数值解,本章给出几组典型的激光器模拟数值解并简单分析其锁模机制,包括在大负色散区域下的孤子锁模机制和在正负色散比较平衡下的呼吸孤子锁模机制。在孤子锁模机制中给出了重复频率为50MHz的情况下不同功率泵浦的锁模情况,在呼吸孤子锁模下给出了重复频率为50 MHz的情况下激光器不同位置的脉冲情况和呼吸比情况,并讨论了两种锁模机制的相关特性。
第四章是半导体可饱和吸收镜作为锁模器件的理论和实验部分,详细介绍了作为超快激光器重要锁模器件的半导体可饱和吸收镜的基本概念和原理,以及基本结构和设计原理,设计并制作了反射率曲线平坦的高调制深度用于光纤激光器的半导体可饱和吸收镜,这也是首次实现高调制深度半导体可饱和吸收镜有带宽达100 nm且在该带宽内都保持平坦一致的反射率曲线,通过测量可饱和吸收镜的调制深度为12％,非饱和损耗3％,饱和通量为30.7μJ/cm2,并将该可饱和吸收镜应用在掺镱光纤激光器里,证明其可以在中心波长分别运转在1029 nm和1064 nm的激光器成功自启动锁模。
第五章是锁模掺铒光纤激光器的实验研究,包括光纤激光器的环形腔和线性腔设计实现过程,关键参数以及性能指标:在孤子锁模环形腔激光器输出脉冲的重复频率为37 MHz,在泵浦功率为280 mW时可自启动锁模,光谱谱宽26.7 nm,由自相关仪测得脉冲宽度为535 fs;在呼吸孤子锁模环形腔激光器里,重复频率50.7 MHz,在泵浦功率为500 mW时单脉冲能量为1.2 nJ,光谱谱宽53.7 nm,压缩后脉冲宽度为95 fs,可进一步发展用为THz产生源;在半导体可饱和吸收镜锁模的线性腔激光器里,锁模脉冲重复频率为250.7 kHz,在泵浦功率为430mW时单脉冲能量为14 nJ,光谱谱宽3.2 nm,脉冲宽度为2 ns,这也是首次得到超低重复频率带来高脉冲能量的线性腔掺铒光纤锁模激光器的实验结果。
最后,回顾了整个论文的工作,对全文的工作进行了总结和展望。