基于硫系光纤色散管理的2 μm全光纤超短脉冲激光器研究

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如今,2μm超短脉冲光纤激光正朝着高强度和窄脉宽的方向发展,采用啁啾脉冲放大的方式来实现超短脉冲激光峰值功率的极大提升是当前的主流技术之一。脉冲展宽器是啁啾脉冲放大系统中的重要器件,尽管目前空间型2μm波长脉冲展宽器发展已相对成熟,但在如今追求全光纤化激光系统的趋势下,材料和光纤是依然是目前限制2μm全光纤系统的关键因素。经过特殊结构设计的石英光纤展宽器虽使用方便,但是单位长度的光纤提供的色散量相对较小,且通常会因芯径过小带来熔接和功率传输上的问题。硫系光纤与石英光纤相比在2μm波长具有显著的色散优势,用做脉冲展宽器优势巨大。但其机械强度偏低、折射率高以及后处理工艺复杂,严重的阻碍了其在中红外超短脉冲激光领域的应用。因此在掺铥光纤激光器中开展硫系光纤用作脉冲展宽器的探索性研究意义重大。本工作为实现基于硫系光纤展宽器的全光纤化2μm啁啾脉冲放大系统,开展了高性能硫系光纤连接器制备的工艺探索。率先开发出了低损耗的As2S3光纤连接器,并首次实现了基于硫系光纤用作脉冲展宽器的啁啾脉冲放大系统。该工作将为实现全光纤化的基于硫系光纤系统的应用奠定基础。本论文主要的研究内容和结果如下所示:(1)首先对光纤激光器及基于拉曼频移产生2μm拉曼孤子,基于啁啾脉冲放大技术放大2μm超短脉冲和基于ZBLAN光纤产生中红外超连续谱的研究进展进行了总结。并用数学理论分析了激光器的锁模理论和光纤中产生的色散和非线性效应的机制。(2)简要介绍了光纤连接器和硫系光纤。成功制备了可插拔FC/PC型号的As2S3光纤连接器,抛光后As2S3光纤连接器的端面损伤阈值为7.90 k W,对接耦合3小时的功率波动均方根误差值为0.37%。(3)搭建了输出光谱中心波长为1550 nm,重复频率为50 MHz,脉冲宽度为579 fs的振荡器系统,放大后输出功率为332 m W。通过泵浦200 m长的SMF-28e光纤产生了中心波长位于1954 nm处的超短脉冲,输出功率101 m W,脉冲宽度为343fs。使用自制的0.5 m长的As2S3光纤连接器用作2μm的啁啾脉冲放大系统中的脉冲展宽器,实现了将近20倍的脉冲展宽比。系统最高输出的功率为1.97 W,脉冲宽度为2.53 ps,峰值功率为15.8 k W。(4)搭建了中红外超连续谱产生系统,2μm啁啾脉冲放大系统级联泵浦5.3m长的ZBLAN光纤,获得了输出光谱覆盖范围为1.80-3.47μm的中红外超连续谱,输出功率为1.56 W。并在此功率下监测了2小时的功率稳定性,其均方根误差值为0.13%。
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