文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
新型被动锁模光纤激光器研究
姓名:陈国梁
申请学位级别:博士
专业:光学
指导教师:明海;许立新
2011-05
摘要
摘要
随着科学发展和技术进步,被动锁模光纤激光器和超短激光脉冲技术在科学
研究和工业生产中起到越来越大的作用,在光通信、微加工、太赫兹波等众多领
域有着广泛的应用。被动锁模光纤激光器体积小、轻便、工作稳定,可以输出高
峰值功率超短脉冲。本文的工作主要围绕新型被动锁模光纤激光器展开研究。
主要研究成果有:
1. 实验研究了正常色散腔被动锁模光纤激光器,分别获得了工作在 μm 波
段和 μm 波段的锁模激光,输出的光谱顶部平坦,3dB 宽度分别大于 8nm 和
28nm,具有矩形分布的特征;并通过理论计算讨论了正常色散腔和反常色散腔
对光谱的影响,计算结果与实验结果基本一致。这种平坦光谱的锁模光纤激光器
在高能量脉冲产生、超连续光产生等方面有着潜在的应用。
2. 提出了一种基于非线性放大环镜(NALM)的纳秒方波脉冲光纤激光器,使用
非线性薛定谔方程理论上分析了这种方波光纤激光器工作机理,分析结果表明,
当 NALM 内部非线性足够大时将出现方波整形效应,当其参数满足一定条件时
将得到稳定的方波脉冲序列输出。这一点同时在实验上得到了验证,实现了可自
启动、稳定、无内部结构、顶部平坦的纳秒方波脉冲输出,上升沿时间小于 70 ps,
且脉冲宽度在 1ns-100ns 间连续可调,中心波长 μm,通过控制激光器内部
色散量,实现了光谱宽度大于 1nm 的输出。该方波脉冲激光器在激光微加工、
高功率激光器系统、同步辐射时间分辨 ARPES 谱测量等领域都有着潜在应用。
同时讨论了该方波脉冲可能具有的啁啾特性,并进行了实验研究。
3. 实验研究了工作波长在 µm 波段的两种低重复频率被动锁模光纤激光
器:a. 在非线性偏振旋转(NPR)和 8 字腔结构中分别实现了 1MHz 重复频率锁模
脉冲的稳定工作;并分别通过两种低成本方案,进行了对脉冲宽度的控制,得到
了最窄 114 ps 宽度的脉冲;b. 研制了一种重复频率为 126 kHz 的基于 NPR 结构
的被动锁模光纤激光器,直接输出单脉冲能量 77 nJ,这一结果是目前已报道的
低重复频率被动锁模得到的最低频率,并且也是最高能量脉冲。
4. 研究了被动锁模光纤激光器在基于光学时间拉伸技术的高速信号采集系统
中的应用。采用微波光子学中光学时间拉伸的方法,将 2ns 的待测高速电信号经
I
摘要
M-Z 电光调制器调制在纳秒宽度的光学脉冲上,经色散光纤传输展宽后再对脉冲
信号进行采集和模数转化,实验中将等效采样率从 5GS/s 提高至 20 GS/s。
本论文创新点:
1 利用激光器腔内 NALM 结构的时间整形效应,提出并实现了工作在 μm
波段的方波脉冲光纤激光器。所得到的脉冲顶部平坦,无内部结构,并且具有上
升沿时间短( <70 ps )和脉冲宽度可调( 1-100 ns )的特点。
2 利用非线性薛定谔方程建立了基于 NALM 的方波脉冲光纤激光器的模型,通
过数值计算得出了方波脉冲宽度随 NALM 长度的变化规律。
3 对低重复频率锁模光纤激光器结构进行了优化,获得了低至 126 kHz 的重复频
70 nJ。
关键词:光纤激光器被动锁模激光器高能量激光脉冲方波脉冲激光器
II
Abstract
ABSTRACT
Within the past few years, passively mode-locking fiber laser and the technology
of the ultra-short pulse are currently being developed for applications in the science
research and industrial production, such as the optical coherence tomography,
micro-machining, and the munications. Offering the advantages pact,
portability, a high efficient and low cost, passively mode-locking fiber lasers have the
ability of generation ultra-short pulse with a high peak