色散管理光纤锁模激光器在近零色散域的非线性优化

目前,飞秒激光脉冲因脉冲宽度窄和峰值功率高的特点被广泛运用在多种领域中。其中,色散管理光纤锁模激光器因其特有的腔内呼吸机制使输出的激光脉冲能量更高,光谱更宽、脉宽更窄。使用啁啾布拉格光纤光栅进行色散管理的光纤锁模激光器能够实现真正的全光纤结构,提升激光器的紧凑性和稳定性,因此基于啁啾布拉格光纤光栅进行色散管理的光纤锁模激光器具有更加实际的应用意义。采用数值模拟的方法,研究了基于啁啾布拉格光纤光栅进行色散管理的掺镱光纤锁模激光器中单模光纤在腔内的不同分布对脉冲动力学过程和输出脉冲参数的影响。系统分析了谐振腔内净色散值不同时,腔内单模光纤的分布对脉冲在腔内的动力学过程的影响。模拟结果表明,在腔内净色散值为负时,啁啾布拉格光纤光栅与增益光纤间的单模光纤越短,光纤激光器维持稳定单脉冲运行的最大泵浦强度更高且输出光谱更宽,从而能够获得脉宽更窄的去啁啾脉冲;腔内净色散值越接近零时,啁啾布拉格光纤光栅与增益光纤间的单模光纤长度对输出脉冲参数作用的影响越显著;腔内净色散值为正时,单模光纤在腔内的分布对输出脉冲影响逐渐减弱,优化单模光纤分布提升锁模激光器性能并不明显。最后,提出了一种通过改变单模光纤在腔内的分布来提高激光器输出性能的优化方法。     

呼吸脉冲锁模的光子晶体光纤飞秒激光器

报道了一种掺Yb偏振型大模场面积光子晶体光纤(LMA-PCF)飞秒激光器。作为增益介质的光子晶体光纤的单模场面积比传统光纤高一个数量级,有效地降低了非线性系数,使激光器获得高能量输出。激光器基于线形腔结构,利用半导体可饱和吸收镜实现自启动锁模。光纤激光器利用光栅对进行腔内色散补偿,使其运转在呼吸脉冲锁模状态,即在谐振腔的零色散点附近实现锁模。当腔内净色散呈反常色散时,激光器获得了平均功率为400mW,重复频率为47MHz(对应于8.5nJ的单脉冲能量),脉冲宽度为500fs的稳定的锁模脉冲输出,经腔外色散补偿,脉冲压缩至98fs。当腔内净色散呈正常色散时,激光器输出的单脉冲能量为10.6nJ,脉冲宽度为1.76ps,经腔外色散补偿,脉冲压缩至160fs。     

光谱边带测量法实现的色散匹配光纤激光器

在基于非线性偏振旋转效应的被动锁模光纤激光器中,利用测量脉冲光谱边带的方法计算腔内总色散,通过改变腔内普通单模光纤(SMF)的长度实现色散匹配,从而获得了重复频率为25 MHz、脉宽为520.5 fs、中心波长为1558.4 nm和3 dB带宽为29.5 nm的超短脉冲,输出功率为1.81 mW.在实现最佳色散匹配的条件下,对锁模脉冲的分裂、连续光波与孤子脉冲共存以及稳定的谐波锁模现象进行了实验研究和分析.     

正色散腔被动锁模掺铒光纤激光器的理论分析

对观察到的正色散腔被动锁模掺铒光纤激光器的实验现象进行了理论分析.采用Master方程对被动锁模脉冲的静态特性进行数值模拟,结果显示正色散腔可以满足稳定性条件,能够获得稳定的被动锁模脉冲,并且正色散腔内的脉冲具有很强的啁啾特性.根据耦合非线性薛定谔方程,对正色散腔内稳定脉冲的动态形成过程进行模拟,初始的宽时域小信号经过在腔内多次运转后逐渐被放大并压窄,最终形成稳定的锁模脉冲.对在该腔内观察到的多脉冲共存现象进行分析,结果表明多脉冲共存是由于脉冲峰值功率的增加受到腔内功率透过率的限制所致,并对多脉冲在腔内的演变过程进行数值模拟,其结果与实验相吻合.     

环形铥光纤激光器中脉冲簇及其簇群的产生

本文研究了基于非线性偏振旋转锁模的铥光纤激 光器中脉冲簇及脉冲簇群的产生。通 过在环形腔内引入两段长度分别为100 m和350 m的SMF-28光纤来增强腔内非线性和色散,从 而产生了脉宽为30 ns的束缚态脉冲簇。一 个束缚态脉冲簇可以产生12个振幅不同但时间 间隔相同的子脉冲。发现调节偏振控制器角度可以改变脉冲簇宽度以及子脉冲个数,进一步 调节还可使子脉冲分离而形成脉冲簇群。脉冲簇群形成有规律间隔的准量子化分布,其分离 的子脉冲脉宽为2.8 ns。实验中还产生了稳定的二次谐波锁模脉冲簇 ,并发现子脉冲的多种形态组合形式。     

单脉冲锁模光纤激光器输出特性的数值研究

为了研究不同腔内净色散下单脉冲被动锁模光纤激光器的输出特性,采用以非线性薛定谔方程为数学模型和分步傅里叶的方法,对激光脉冲在腔内的演化进行了理论分析。获得了在保持单脉冲稳定输出时激光器一些参量与腔内净色散的变化关系,并针对净色散为正的情况,对输出脉冲进行了腔外解啁啾压缩,压缩比达到10倍以上,分析了压缩所需的负色散值以及压缩后脉宽的情况。结果表明,小信号增益系数最大值与净腔色散大体上成正比关系,且当小信号增益系数达到最大值时,输出脉冲的脉宽以及相应的时间带宽积呈现逐渐增加的趋势,3dB带宽则呈现出先增加后减少的趋势。该研究结果为优化被动锁模光纤激光器提供了参考。     

高能量飞秒脉冲掺Er3 光纤激光器

为了从反常色散光纤构成的飞秒锁模掺Er^3＋光纤（EDF）激光器获得高能量锁模脉冲，提出了采用集总放大器和高损耗耦合输出器有机组合的办法来设计激光器腔体。实验结果表明，该方法能有效地减小降低腔内脉冲能量周期性波动，抑制频谱边带幅度，提高飞秒脉冲高能量及其频谱宽度。采用非线性偏振旋转机制进行锁模，成功获得谱线宽度为18．0nm、重复速率为14．0MHz、脉冲宽度约200fs、单脉冲能量超过1nJ稳定锁模光脉冲，并且激光器自启动锁模泵浦阈值小于20mW。     

基于色散控制的主动锁模掺镱光纤激光器设计

设计了一种基于色散控制的相位调制锁模掺镱光纤激光器。针对相位调制锁模中模式跳变现象,基于非线性薛定谔方程,建立了光脉冲在光纤激光器系统中演变的数学模型,通过数值仿真研究了色散对脉冲稳定性的影响。在光纤环形腔中加入光子晶体光纤实现色散补偿,解决了输出脉冲在两个相位差为π的模式间跳变引起的不稳定问题。在稳定锁模的前提下,进一步分析了激光器关键参数（非线性系数、小信号增益系数、调制频率和调制深度）对输出脉冲时域特性的影响。结果表明,在腔内平均色散为－19 ps2／km 时,激光器工作在稳定锁模区域,产生重复频率4．918 GHz,脉宽2．54 ps 的锁模脉冲,这对于后续实验中的优化设计具有指导性意义。     

6 MHz重频调谐范围的稳定锁模掺镱光纤激光器

针对精密测量的实际应用需求,开发了具有6 MHz重复频率调谐范围的掺镱锁模光纤激光器。该光纤激光器利用啁啾光纤光栅实现色散补偿,可以实现不同色散域的锁模。实验中,系统研究了不同腔内净色散对锁模激光器输出特性和稳定性的影响,发现当具有一定负腔内净色散时,在不同的重复频率下都可以输出相同的光谱,同时输出光谱具有较好的高斯型。根据以上研究,特殊设计了稳定的简化腔结构和空间延迟线,同时优化了腔参数,保证了大范围的重复频率调谐和稳定的锁模运转。当中心重复频率为26 MHz 时,调谐比率达到23%。激光器稳定输出平均功率为3.23 mW的飞秒激光脉冲,去啁啾后脉冲宽度为347 fs。基于此,将光纤锁模激光器重复频率锁定于铷原子钟,在1 s的平均时间内获得了2×10?10的艾伦方差。     

超宽光谱类噪声脉冲光纤激光器

报道了一种全光纤超宽带光谱的类噪声脉冲锁模光纤激光器。为了加宽锁模光谱,利用腔内色散管理和非线性技术,使在58m腔内具有小的反常色散,平均色散系数为0.12 ps/nm/km。实验获得了超过1300nm--1750nm超宽带光谱锁模类噪声脉冲,光谱20-dB带宽达到362nm,3-dB带宽达到102nm。类噪声脉冲的光谱宽度远超过掺铒光纤的增益带宽。     

脉冲主动锁模和主被动锁模激光器

本文报导了脉冲式主动、主被动锁模磷酸盐玻璃振荡器的特性.主动锁模的脉冲宽度为200微微秒左右,输出性能比较稳定.对于输出脉宽为7微微秒左右的主被动锁模,出现卫星脉冲的几率与调制器的调制系数有关.使用不同的腔内标准具能产生30微微秒和70微微秒的脉冲,没有观察到卫星脉冲.主被动锁模的性能比被动锁模有所提高.     

碰撞锁模染料激光器中激光脉冲的啁啾特性及其色散补偿

从实验上研究了碰撞锁模染料激光器中激光脉冲的啁啾性质.分析了采用两块棱镜组成的棱镜对进行内腔补偿时,棱镜对的色散对输出激光脉冲的宽度、稳定性及光谱特性的影响.     

High-efficiency pulse compression with intracavity Raman amplifiers

High-efficiency pulse compression using intracavity Raman amplifiers has been computed. The energy of a pump laser stored in a lossless cavity is extracted at the Stokes frequency by means of Raman amplification of an input Stokes pulse. Calculations are made for both long and short duration input Stokes pulses for different lossless cavities. As an example, we use a hydrogen-argon mixture as the Raman medium and 1.5 J/cm²energy fluence stored in the lossless cavity at the ruby frequency. By comparing amplified Stokes pulses to a 30 ns pulse duration conventional ruby laser delivering the same energy fluence, pulse shortening factors larger than 20 are computed with quantum conversion efficiencies higher than 80 percent. These values compare favorably to backward Raman amplification. Moreover, this technique is proved to be able to provide a pulse compression rate larger than 14, even for a broad-band laser, which is impossible with backward Raman amplification. This technique could be used with any laser, even with absorbing laser media (excimer lasers) provided pump energy is stored in the lossless cavity by shifting of the laser frequency with any nonlinear process.     

高功率高重复频率飞秒掺镱光纤激光频率梳的研究(特邀)

飞秒光学频率梳在精密计量学和光谱学中扮演着革命性的推动角色,成为近二十年超短脉冲激光技术及应用研究领域最活跃的前沿方向之一。文中基于250 MHz重复频率（frep）的掺镱（Yb）光纤激光器,研究了不同腔内色散以及锁模机制对飞秒脉冲序列载波包络相位偏移频率（fCEO）噪声的影响。通过对飞秒光梳细节的优化,得到了49 dB信噪比的fCEO拍频信号并获得了秒稳3.210-10的锁定结果,同时frep的锁定结果也达到了到了秒稳3.410-13的精度。此外文中还研究了不同啁啾状态的种子光飞秒脉冲对基于大模场面积双包层Yb光子晶体光纤放大器输出光脉冲宽度的影响。以携带-3.8104 fs2预啁啾量的光脉冲作为种子光,在60 W 976 nm半导体激光泵浦下,获得了250 MHz重复频率、23 W平均功率和66 fs压缩后脉冲宽度的激光输出。     

被动锁模掺Er3+氟化物光纤激光器理论研究

根据非线性薛定谔方程建立了基于可饱和吸收体被动锁模掺Er3+氟化物光纤激光器的理论模型,研究了中红外超短脉冲在掺Er3+氟化物光纤激光器中形成的物理机制,数值模拟了被动锁模掺Er3+氟化物光纤激光器中中红外超短脉冲的演化过程,重点分析了掺Er3+增益光纤长度,可饱和吸收体不饱和损耗对被动锁模掺Er3+氟化物光纤激光器产生中红外超短脉冲的影响,并给出了参数设置范围。研究发现:当小信号增益系数、可饱和吸收体不饱和损耗、腔内净色散量为一定值,掺Er3+氟化物光纤长度在一定范围时,才会出现稳定的锁模脉冲,且随着掺Er3+氟化物光纤长度增加脉冲宽度变窄、光谱变宽、峰值功率增高;当掺Er3+氟化物光纤长度、腔内净色散量、小信号增益系数为一定值时,可饱和吸收体不饱和损耗在一定的范围时可以得到稳定的锁模脉冲,且随着可饱和吸收体不饱和损耗的增加脉冲宽度变窄,光谱先变宽后变窄变化范围不大,峰值功率增加。     

信号光脉冲比抽运光窄12倍的内腔式KTP光参量振荡器

在闪光灯抽运的非稳腔Nd∶YAG被动调Q激光器腔内,放置非临界相位匹配KTP晶体,构成内腔式单谐振KTP光参量振荡器(OPO)。研究了输出信号光的波长调谐性能,获得1.57~1.60μm可调谐激光脉冲。实验结果表明,1.57μm信号光的输出能量随着光参量振荡器腔长的增加而减少,脉冲宽度随着腔长的增加而有所变化;抽运能量较大时,转换效率随着抽运能量的增加趋于饱和然后逐渐下降;对此给予了合理的理论解释。当光参量振荡器的腔长为5 cm,1.06μm抽运光脉冲宽度为30 ns时,输出的1.57μm信号光的脉冲宽度为2.5 ns,能量为21.3 mJ。1.57μm信号光的脉冲宽度仅为1.06μm抽运光脉冲的1/12,总的电光能量转换效率为0.128%。     

Theory of intracavity frequency doubling in passively mode-lockedfemtosecond lasers

The authors construct a quantitative theoretical model of an intracavity frequency-doubled and passively mode-locked laser, supported by experimental observations with a colliding pulse mode-locked femtosecond dye laser. The major findings are that for second-harmonic conversion efficiencies consistent with continuing laser operation (<5%): (1) a stable mode-locking regime always exists, although it narrows somewhat with increasing conversion efficiency; and (2) the duration of the fundamental pulses can always be preserved, even in the femtosecond time domain, by readjusting saturable gain and saturable loss under the same conditions. Both the model and observations contrast with previous studies of actively mode-locked and synchronously mode-locked lasers containing intracavity frequency-doubling crystals     

Parametric mode locking

The conditions under which a synchronously pumped intracavity parameter generation causes mode locking in a homogeneously broadened laser are investigated experimentally and theoretically. An expression for the steady-state duration of parametric mode-locked pulses is derived and compared with experimental results. Contributions from both parametric AM and FM mode locking are included, and the conditions to optimize pulse narrowing, frequency upconversion, and active dispersion compensation are determined and discussed     

Picosecond pulse measurements using the active laser medium

A simple method for measuring the pulse lengths of synchronously pumped dye lasers which does not require the use of an external nonlinear medium, such as a doubling crystal or two-photon fluorescence cell, to autocorrelate the pulses is discussed. The technique involves feeding the laser pulses back into the dye jet, thus correlating the output pulses with the intracavity pulses to obtain pulse length signatures in the resulting time-averaged laser power. Experimental measurements were performed using a rhodamine 6G dye laser pumped by a mode-locked frequency-doubled Nd:YAG laser. The results agree well with numerical computations, and the method proves effective in determining lengths of picosecond laser pulses     

Polarization-maintaining fiber Bragg gratings for wavelengthselection in actively mode-locked Er-doped fiber lasers

Fiber Bragg gratings written in polarization-maintaining fiber are proposed for wavelength selection in actively mode-locked Er-doped fiber lasers. Combined with single-polarization optical circulator, they form unidirectional transmission filters that can be incorporated in polarization-maintaining laser cavities. We have fabricated such a grating in hydrogen-loaded PANDA fiber and we have incorporated it in a polarization-maintaining actively mode-locked Er-doped fiber laser designed to generate soliton-like pulses. Dependencies of pulse duration and spectral width on average intracavity power were measured. The power range over which soliton-like pulses were generated without pedestals was found to be ultimately limited by the grating's bandwidth