多参数可调超连续谱光纤激光器研究

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基于超短脉冲光纤激光器泵浦光子晶体光纤的全光纤结构超连续谱激光器,结合了光纤激光器和超连续谱激光的转换效率高、光束质量好、体积小、结构灵活、散热性好、输出光谱范围宽、平坦度好等优点。其在生物医学成像、超精密时间及频率测量、宽带光纤通信、大气科学等领域具有广泛的应用。超连续谱激光的光谱范围、平坦度、输出功率、重复频率、光谱能量密度分布等参数,是标志超连续谱激光器性能的重要指标,在光子晶体光纤固定时,其量值直接取决于超连续谱激光器的泵浦源的性能。目前的超连续谱激光器,其泵浦源多为参数不可调激光器,即其重复频率、工作波长、脉冲宽度等性能参数一般是固定的,因此所产生的超连续谱的重复频率等参数是不可调的,其光谱特性随泵浦激光功率的变化而变化,泵浦源平均功率越高所得到的超连续谱光谱范围越宽,平坦度越好。但在不同的应用场合,往往需要改变超连续谱的重复频率或者对激光器的光谱特性与平均功率有相对独立的要求,这是目前的超连续谱激光技术所不能实现的。尽管高功率超连续谱激光器的输出功率已经突破了百瓦量级,如果能实现多参数可调,使需求的特性参数向应用的期望值调变,这将极大地拓宽超连续谱激光的应用领域。本论文针对目前超连续谱激光器参数不可调的问题,结合应用需求,提出研究光谱覆盖可见光波段的多参数可调超连续谱激光器,利用多参数可调超短脉冲光纤激光器泵浦光子晶体光纤的研究方法,获得了平均功率相同、光谱范围相同时、光谱能量密度分布可调的超连续谱激光输出,获得了输出光谱特性不变时,重复频率及平均功率可调的超连续谱激光输出。所取得的主要研究成果为:  1.根据非线性偏振旋转被动锁模原理以及利用保偏光纤作为可调谐滤波器,在环形腔被动锁模光纤振荡器中,实现了重复频率为基频、二次谐波和四次谐波耗散孤子锁模脉冲输出和基频下的类噪声锁模脉冲输出;在提高谐振腔增益后得到了中心波长1041.8-1080.4 nm可调耗散孤子锁模脉冲输出,以及三种不同中心波长的类噪声锁模脉冲输出。  2.利用数字信号调制的铌酸锂振幅调制器作为锁模元件,在全保偏主动锁模光纤振荡器中,实现了重复频率29.8 MHz-1.76 GHz(1-59阶谐波锁模)的稳定锁模脉冲激光输出,通过微调信号发生器的工作频率,实现了工作波长1058.8-1066.1 nm可调输出。  3.设计搭建了高功率光纤放大器以及光子晶体光纤耦合系统。分别对非线性偏振旋转被动锁模光纤振荡器产生的类噪声锁模脉冲,以及重复频率超过1 GHz的主动锁模脉冲光纤激光振荡器产生的高斯光谱锁模脉冲进行放大,实现了平均功率为62 W、97 W的高功率脉冲激光输出,为实现高功率多参数可调超连续谱光纤激光器提供了泵浦源。采用研制的高功率模场匹配器解决了高功率放大器与光子晶体光纤耦合困难的问题,在此基础上实现了平均功率分别为28 W、41.8 W的光谱覆盖可见光波段的高功率超连续谱激光输出。特别是利用主动锁模脉冲光纤激光器作为泵浦产生的超连续谱激光,其光谱范围为540-1700nm,10 dB光谱宽度为1040nm,这是目前报道的光谱平坦度最好的光谱覆盖可见光波段的高功率超连续谱激光。  4.利用非线性偏振旋转被动锁模脉冲光纤振荡器,对中心波长1041-1076nm的耗散孤子锁模脉冲进行了功率放大和超连续谱激光实验研究,得到了平均功率600mW、光谱范围为480-1700nm时,光谱能量密度分布不同的超连续谱激光。  5.利用主动锁模脉冲光纤振荡器,对重复频率29.8 MHz-1.104 GHz的锁模脉冲进行功率放大,得到了峰值功率约为8 kW时、平均功率4.45-69.8 W的可调皮秒脉冲激光输出,并利用该可调光纤激光器泵浦光子晶体光纤,实现了光谱范围540-1700nm、10 dB光谱宽度1000nm左右时,平均功率为2.54-35.56 W可调的超连续谱激光输出。
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