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。     

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。     

1.05μm被动锁模掺Yb3+光纤环形激光器

利用非线性偏振旋转效应实现了掺YB3 光纤环形腔激光器的被动锁模.锁模脉冲的中心波长为1.05/μm,重复频率为22.22 MHz,光谱带宽为27.066 nm.被动锁模脉冲经掺Yb3 单模光纤放大器放大,再由单光栅脉冲压缩器进行色散补偿,最终获得了脉宽为120 fs,平均功率为12.5 mW,能量达0.56 nJ的稳定激光脉冲.最后分析了输出光脉冲的稳定性.     

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。     

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。     

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.     

可调谐全正色散掺镱光纤激光器

利用相位长周期光纤光栅作为光谱滤波器,熔接于全正色散掺镱光纤激光系统中,从而实现了具有波长可调谐的连续激光输出和被动锁模激光脉冲输出,可调谐激光波长范围分别为11.4 nm和10.5 nm.通过调节偏振片改变激光腔内的偏振状态,输出锁模脉冲实现脉冲宽度的可调谐,其调谐范围为3.6~1.2 ns.在530 mW的最大泵浦功率下,得到了重复频率为2.5 MHz、最大单脉冲能量为38.9 nJ的锁模脉冲输出和最大输出功率为124 mW的连续激光输出.     

耗散孤子和束缚态脉冲可切换的超连续谱产生

当超短脉冲进入高非线性光纤时,在色散和非线性效应的共同作用下,脉冲频谱中会产生一些新的频率分量,使得输出频谱比输入频谱宽得多。这种光谱被称为超连续谱。超连续谱光源具有光谱范围宽、方向性好、亮度高、空间相干性好等优点。在锁模激光器中,传统孤子、耗散孤子和类噪声脉冲可以作为种子源产生超连续谱。文中,笔者建立了一个NPR被动锁模光纤激光器来产生脉冲激光。然后,添加一段DCF以补偿腔中的色散,从而产生耗散孤子。同时,通过调节腔内PC,可以实现束缚态和耗散孤子的状态切换。输出脉冲经10 m单模光纤压缩后注入部分拉锥后的高非线性光纤以产生超连续谱。实验中,我们得到了脉宽为5.6 ps、重复频率为32 MHz、信噪比为52 dB的耗散孤子锁模脉冲,压缩后的脉冲宽度为868 fs,用作超连续谱产生。超连续谱的覆盖范围约为1200~2200 nm,其20 dB谱宽为357 nm。通过调节偏振控制器,实现耗散孤子脉冲与束缚态脉冲之间的切换,束缚态脉冲持续时间为1.4 ps,脉冲间隔为14 ps,信噪比为51 dB,产生1600~1870 nm的超连续光谱,20 dB的光谱宽度为135 nm。     

基于色散控制的全光纤掺镱被动锁模激光器的设计与仿真

设计了一种能够输出超短脉冲作为激光种子源的全光纤掺镱被动锁模光纤激光器,并对其进行了数值仿真。为了得到满足设计要求的超短脉冲,使用了被动锁模技术和色散补偿技术。利用非线性偏振旋转技术实现被动锁模,并在环形腔中引入全固态光子带隙光纤对腔中的正色散进行补偿。通过仿真及优化,获得了脉宽为0.7 ps,能量为0.89 nJ 的脉冲序列。仿真结果表明,使用被动锁模技术和色散补偿技术有利于得到满足作为激光种子源设计要求的超短脉冲。     

大模场面积光子晶体光纤全正色散自相似锁模激光器

通过数值模拟和实验研究了一种基于大模场面积光子晶体光纤的高功率全正色散自相似锁模激光器。激光器采用长为1.9 m的掺镱双包层大模场面积光子晶体光纤作为增益介质,腔内没有引入色散图,整个激光器工作在全正色散域。激光器采用环形腔结构,利用非线性偏振旋转锁模和一个窄带高斯滤波器实现了稳定的自相似锁模运转。实验最终获得了直接输出平均功率为5 W,重复频率为72 MHz,单脉冲能量超过69 n J,脉冲宽度为1.699 ps的自相似锁模脉冲输出,经过腔外1200 line/mm的透射光栅对压缩后脉宽为84 fs。激光器可以实现自启动锁模,光束质量因子M2为1.41。     

基于半导体可饱和吸收镜的可调谐光纤激光器

为了实现锁模光纤激光器的波长可调谐, 采用半导体可饱和吸收镜(SESAM), 搭建了环形腔被动锁模掺镱光纤激光器。在腔内无偏振控制器及可调谐滤波器等器件的前提下, 通过改变光纤跳线端面至SESAM的距离, 实现光谱在1029.5nm~1042.7nm之间的稳定可调谐, 基频重复频率为18.0MHz, 脉冲宽度为130ps, 锁模脉冲信噪比达44dB。结果表明, 该锁模光纤激光器具有较高的信噪比及较宽的可调谐范围。该研究为可调谐被动锁模光纤激光器的研制提供了重要的参考价值。     

高功率被动锁模2.0μm掺铥飞秒脉冲光纤激光器

报道了高功率半导体可饱和吸收镜被动锁模的2.0μm掺铥飞秒脉冲光纤激光器的实验结果。该光纤激光器利用半导体可饱和吸收镜与宽带全反射镜来构成线型法布里-珀罗腔,自制的1550nm连续掺铒光纤激光器作为激光抽运源。当抽运功率为312mW时,开始得到稳定的重复频率为53MHz的锁模激光脉冲串。当抽运功率增加到472mW时,得到的最大平均输出功率为50mW,相应的最高单脉冲能量为0.94nJ;此时测得锁模激光脉冲的宽度为907fs,激光的中心波长为1939.5nm,3dB光谱带宽为4.6nm。     

基于饱和吸收镜的被动锁模掺铒光纤激光器

为了研究基于半导体可饱和吸收镜的被动锁模光纤激光器的输出特性,采用1480nm的半导体激光器作为抽运源,利用掺铒光纤作为增益介质,以及光纤环行器、偏振控制器、波分复用器和耦合器等构成了环形腔结构的被动锁模光纤激光器。实验中获得了峰值波长1586nm、光谱宽度4.8nm、重复频率11.2MHz、最大平均输出功率8.4mW的稳定锁模激光脉冲输出。结果表明,调整光纤偏振控制器会使光纤激光器输出脉冲的时域波形略微发生变化,在实际应用中需要注意偏振态变化对锁模光纤激光器输出脉冲时域特性的影响。这一结果对于半导体可饱和吸收镜在被动锁模光纤激光器中的应用及其特性具有一定帮助。     

基于SESAM的全光纤被动锁模光纤激光器

研究实现了一种主振荡功率放大（MOPA）结构的高功率全光纤皮秒级被动锁模掺镱（Yb3+）光纤激光器。种子源为基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）的锁模光纤激光器,其为线性腔结构,输出功率为5.97 mW;预放大级采用单模掺镱光纤进行放大,之后经过4倍重复频率倍增系统和两级双包层掺镱光纤放大器,最终实现了平均功率74.3 W,中心波长1063.4 nm,脉冲宽度7.0 ps,重复频率68 MHz的锁模脉冲激光输出。实验中通过对种子光的处理和光纤长度的控制,未出现受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）等非线性效应。     

78 fs被动锁模掺Er3+光纤激光器

用性能稳定的976 nm激光二极管(LD)作为抽运光源,利用非线性偏振旋转(NPR)作为可饱和吸收体,实现了环形腔结构的被动锁模掺Er3 光纤激光器.在抽运功率为57 mW时,通过调节与波长无关的全光纤在线偏振控制器,获得了谱线宽度为40.8 nm,中心波长1544.0 nm,脉冲宽度为78 fs的稳定飞秒脉冲激光,其重复频率为11.18 MHz,平均输出光功率为5.4 mW,单个脉冲能量为0.5 nJ,峰值功率为6200 W.     

可调谐被动锁模掺铥光纤激光器

为了实现波长可调谐被动锁模掺铥光纤激光器，提出了基于激光腔随机双折射效应通过调节激光偏振态来改变被动锁模掺铥光纤激光器的工作波长的方法，并进行了原理分析和实验验证。结果表明，调节偏振控制器可实现在2010nm，2019nm，2024nm，2050nm等多个中心波长处的锁模脉冲输出，同时在单个中心波长附近，还可以精密调谐。这种可调谐锁模激光器结构简单、可调谐性好，对光通信、超快光学、医学、遥感技术和雷达等应用中光源的选择有一定的参考价值。     

利用NALM结构的被动锁模掺铒光纤激光器的研究

为了研究光纤中的非线性效应对锁模脉冲的影响,采用非线性放大环镜来实现被动锁模,在分析非线性放大环镜传输特性理论的基础上,对被动锁模掺铒光纤激光器进行了相关的实验研究。实验中观察到了重复频率为280.2MHz、中心波长是1556.235nm、线宽是0.4nm的稳定的锁模脉冲现象。研究结果对更深入地了解被动锁模产生现象、进一步开展后续研究具有极其重要的意义。