高功率掺镱双包层光纤飞秒脉冲放大器

采用双包层光纤对超快激光脉冲放大的研究已经成为一个热点课题。双包层光纤实现了连续激光、Nd：glass和Yb：KGW等脉冲激光为种子光的放大。迄今为止，掺Yb激光晶体中基态能级分裂最大的是Yb：GSO晶体，为1067cm。较高热导率使得Yb：GSO晶体仅依靠自然冷却就可在高功率抽运时保持稳定的连续或飞秒激光输出。本实验利用种子源主振荡放大（MOPA）技术，以Yb：GSO激光为种子光，获得了平均功率为10W的飞秒激光输出。     

高功率脉冲抽运Er-Yb共掺光纤放大器的理论研究

基于速率方程理论对低重复频率高功率脉冲抽运Er-Yb共掺光纤放大器(EYDFA)进行了理论研究。通过采用有限差分法对理论模型的求解,系统分析了在放大自发辐射(ASE)受限情况下,抽运脉冲峰值功率、抽运脉宽、信号时延对放大器性能的影响。结果表明,在将ASE控制在合理范围的情况下,抽运脉冲存在一个最佳的抽运脉冲宽度,信号脉冲相对抽运脉冲的时延对输出峰值功率和脉冲能量有非常重要的影响。而且对给定的增益介质,抽运脉冲峰值功率也并非越高越好,而是存在一个最佳值。该研究结果对高功率脉冲抽运Er-Yb共掺光纤放大器的实验研究具有指导意义。     

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。     

高功率Er/Yb共掺光纤脉冲放大器中ASE的影响分析

为了研究自发辐射对高功率铒镱共掺脉冲光纤放大器性能的影响,在速率方程理论的基础上,采用有限差分法对理论模型进行了数值求解。对不同抽运、信号和光纤参量配置情况下,自发辐射对放大器性能的影响进行了模拟分析。结果表明,由于自发辐射自饱和的限制,在其它条件相同的情况下,为了得到最高的单脉冲能量和峰值功率,放大器输入信号存在一个最佳的重复频率,且该最佳重复频率与抽运功率成正比与脉冲宽度成反比。研究结果对高功率铒镱共掺光纤脉冲放大器的设计和实验研究有重要指导意义。     

高功率飞秒脉冲光纤激光器的研究进展

啁啾脉冲放大技术是高功率飞秒脉冲光纤激光器采用的主流技术,但如果对激光系统中非线性效应和色散补偿控制不好,脉冲将会发生畸变,影响脉冲的进一步压缩和峰值功率的提高.以这些问题的解决为主线,介绍了近年来在高功率飞秒脉冲研制上所取得的进展,指出以光子晶体光纤等为基础的新型激光功能器件的出现,为啁啾脉冲放大技术提供了新的解决方案.     

飞秒激光脉冲在双折射微结构光纤中频率变换的研究

报道了高非线性的双折射微结构光纤(MFs)与纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作用下，在可见光波段通过相位匹配的四波混频效应获得了波长可调谐的反斯托克斯波的实验结果。由于该光纤的双折射性质，因此在不同偏振方向上具有不同的色散特性，所产生的反斯托克斯超短脉冲的中心波长受到输入脉冲的偏振态的影响。通过旋转输人端的半波片，在相互垂直的两种偏振态的飞秒激光脉冲的作用下，所产生的反斯托克斯波脉冲的中心波长分别为490nm和510nm，在微结构光纤的输出端能分别观察到明亮的蓝光和绿光的基模输出。实验研究了在不同功率飞秒脉冲激光的作用下，在不同长度的双折射微结构光纤中反斯托克斯波的产生情况，并对一系列现象进行了对比分析。     

高功率掺镱全固态飞秒激光器

开展了激光二极管泵浦的高功率掺镱全固态飞秒激光器的研究。利用Yb:LYSO晶体实现了高功率高效率的半导体可饱和吸收镜锁模飞秒振荡器,分别在1 035、1 042 nm实现了3 W的稳定锁模运转,相应的脉冲宽度分别为351、287 fs,斜效率分别为88.2%和89.7%;通过将增益介质与克尔介质分开,利用大功率多模LD直接泵浦Yb:CYA晶体实现了高功率的克尔透镜锁模飞秒振荡器,脉冲宽度70 fs,平均输出功率2.52 W,重复频率50 MHz,获得了50 nJ的单脉冲能量且峰值功率达到0.71 MW。表明上述掺镱晶体在高功率二极管泵浦全固态激光器领域中具有非常优异的性能。     

有限元法模拟掺镱光纤放大器的脉冲放大特性

为了简单、快捷地模拟掺镱双包层光纤放大器的脉冲放大特性,采用有限元软件FEMLAB模拟掺Yb3+双包层光纤放大器的脉冲放大特性。用与快速傅里叶法模拟Yb3+光纤放大器脉冲放大特性相同的参量计算了在915nm前向抽运下,光纤放大器中的上能级粒子数,抽运光和放大自发辐射在光纤中的稳态分布,以及高斯脉冲和方波脉冲的输出、能量及增益特性,得到的与快速傅里叶法模拟的一致的粒子分布图等特征图,而且比快速傅里叶法得到更多和更准确的结果。结果表明,应用FEMLAB只需根据掺Yb3+光纤放大器的方程组,可以方便、快捷地确定参数进行数值模拟,对掺镱光纤放大器的系统设计和参量优化具有很好的参考价值。     

高功率脉冲Er-Yb共掺光纤放大器中放大自发辐射的抑制方法

为了研究放大的自发辐射(ASE)对高功率脉冲Er-Yb共掺光纤放大器(EYDFA)的影响,采用数值模拟对EYDFA中不同参数信号的放大进行了研究。结果表明,Yb波段(1.0～1.1μm)ASE是制约放大器输出功率提升的主要因素。因此,有效地抑制Yb波段ASE将有助于放大器性能的提高。通过进一步研究发现,在放大器的抽运端引入一个Yb波段的辅助信号能有效地抑制Yb波段ASE,从而提高抽运转换效率,提升放大器的输出功率。     

高功率飞秒脉冲光纤激光系统

基础科学研究和超精细工业加工领域的发展迫切需要高重复频率、高功率的飞秒脉冲激光。采用啁啾脉冲放大技术,以掺镱双包层光子晶体光纤作为增益介质,搭建了高平均功率飞秒脉冲光纤激光系统。系统包括被动锁模振荡器、脉冲展宽器、单模光纤预放大器、光子晶体光纤功率放大器和脉冲压缩器5部分。实验上获得了重复频率40 MHz、平均功率150 W、脉冲宽度273 fs的超短脉冲输出。整个系统置于3 m×1.5 m的光学平台上,通过模块化和集成化的改进,该系统体积有望大幅度减小,为科学研究和工业应用提供有力工具。     

超高强度飞秒脉冲的三次谐波转换

针对超高强度飞秒激光,对利用单块BBO晶体产生三倍频(THG)的过程进行了分析,比较了单块晶体中三阶非线性效应以及级联二阶非线性效应对三倍频转换效率的作用,讨论了入射基频光光强、晶体厚度、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、群速度失配、失谐角、方位角等因素对三倍频光转换效率、时间波形及光谱分布的影响,在此基础上,提出了提高三倍频转换效率的方法.研究结果表明:入射基频光强一定时,三倍频光的峰值光强、脉冲宽度(FWHM)随晶体厚度变化不明显.通过优化基频光入射角度,可提高单块BBO晶体三倍频光转换效率及峰值光强,并减小三倍频光脉冲宽度.此外,方位角的优化也可在一定程度上提高三倍频转换效率.     

超短光脉冲感应级联五阶非线性相移分析

由于群速度失配的影响,飞秒光脉冲在感应到FONPS（级联五阶非线性相移）的同时,将不可避免地发生脉冲畸变.通过理论分析及数值模拟,提出了使级联五阶非线性过程运行在较大相位失配条件下的解决方案,成功地消除了脉冲畸变.并且借助于该过程中倍频效率的提高,有效地补偿由于相位失配量的增大所造成的FONPS的下降,实现飞秒基频光脉冲在感应到大的FONPS的同时无脉冲畸变发生.     

飞秒激光脉冲能量对SF6气体环境下硅表面尖峰结构形成的影响

介绍了在SF6气体环境下由不同脉冲能量的飞秒激光在硅表面蚀刻出的尖峰结构的变化。其中,硅表面形成的尖峰高度先是随脉冲能量的升高而增加,然而当脉冲能量增加到一定程度时,脉冲能量的继续升高却会导致尖峰高度的降低。尖峰高度在开始阶段的增加是由于激光的消融作用;而过高的能量在前几百个脉冲入射后无法穿透到硅材料深处,聚集在硅表面的能量除了引发最外层的硅材料的飞溅,还使次外层的硅一直处于熔融状态,这种状态阻碍了尖峰结构的形成,即使后继能量顺利导入内部,但由于前一部分脉冲对尖峰结构的形成并无贡献,因此表面的尖峰高度反而有所降低。     

具有几个光振荡周期长的飞秒脉冲在单模光纤中的传输

发展了飞秒光脉冲在光纤中的传输理论,给出了具有几个光振荡周期长的飞秒脉冲在单模光纤中的传输方程,对方程作了数值解,模拟了具有几个光振荡周期的飞秒脉冲在单模光纤中的非线性传输。     

飞秒强激光脉冲与H原子团簇相互作用的库仑爆炸过程模拟

运用经典粒子动力学模拟方法，研究了飞秒强激光脉冲(10^15～10^16W／cm^2)与正二十面体构型氢原子团簇H13,H55，H147和H309的相互作用。通过模拟分析团簇的膨胀过程，发现团簇的膨胀是各向同性的，团簇的膨胀尺度R(t)／R(0)随团簇尺寸的增大而减小，即团簇尺寸愈大，与激光相互作用后膨胀碎解过程愈慢。研究结果表明，随着团簇中原子数目的增多，团簇库仑爆炸后所产生的离子的动能相应增大。由于正二十面体的对称壳层结构，离子动能分布具有尖峰结构。团簇库仑爆炸后离子的最大动能Emax与团簇库仑爆炸前的尺寸的平方成正比。且Emax随激光光强I增加而增大。但是当I增大到一定值Is时，Emax将出现饱和，这是因为I的增强已经不再改变团簇内原子的电离状态。随着团簇尺寸的增大，激光光强饱和值和离子能量将会继续提高。     

振幅调制连续光产生高功率超短脉冲串的研究

高功率超短脉冲串需求广泛,但是有限的平均功率和能量的低利用率限制了超短脉冲串的应用。基于不同于锁模机制的非线性孤子效应,利用振幅调制连续光抽运,数值模拟了光纤中高功率超短脉冲串的稳定产生。分别研究各输入参数如抽运功率、调制深度、调制频率以及光纤参数包括非线性系数、群速度色散系数等对高功率超短脉冲串输出特性的影响规律。为了综合考量各参数对抽运效率的影响,以利于光纤参数和调制参数的选择,引入了归一化调制频率。研究结果表明:选择具有小非线性及较大群速度色散的光纤,适当增加调制频率和调制深度,都可以在保证高平均功率输出的同时获得相对高的抽运效率,而较小抽运功率则有利于能量提取。     

LiNbO3:Fe晶体中飞秒二波耦合光栅衍射自增强现象

在超快二波耦合配置下的LiNbO3：Fe晶体中写人了体相位栅，通过一定的脉冲写人方法进行飞秒脉冲写人光栅的衍射自增强实验，在双光写人饱和后进行单写人光照射，产生了持续1h的衍射自增强，同时又发现在光栅写人未饱和的时候改为单光写人也产生了衍射自增强现象，持续2h。随后从光调制角度分析了该自增强现象的理论原因：脉冲衍射光和写人光共同作用，提高了二者耦合程度，写人了新光栅，从而加强原光栅，导致衍射效率提高，从而证明飞秒脉冲写人光栅的读出擦除可抑制，这对提高光全息记录的读出质量有正面意义。     

基于非线性渐增原理获得抛物线型自相似脉冲的研究

采用理论推导和数值模拟相结合的方法研究了脉冲在指数渐增的非线性渐增光纤(NIF)中的自相似演化。结果表明,与双曲渐减的正色散渐减光纤(ND-DDF)类似,利用指数渐增的NIF也可获得具有严格线性啁啾的抛物线型自相似脉冲。同时深入研究了ND-DDF和NIF两种增益等效方式对自相似演化特性的影响,结果表明:1)等效增益决定了脉冲自相似演化的结果,等效方式决定了脉冲自相似演化进程快慢;2)在具有相等的等效增益条件下,脉冲在指数渐增NIF和双曲渐减ND-DDF中演化为相同的自相似脉冲,但是前者对脉冲的自相似演化更高效,即前者实现自相似演化所需光纤长度更短;3)两种增益等效方式所需光纤长度的关系是使得各自具有相同的光纤有效放大因子。     

基于多台阶反射光栅的飞秒脉冲压缩装置

反射式光栅对是一种具有负色散性质的器件,可用于飞秒激光脉冲的压缩和展宽,具有无材料色散的优点。给出了一种基于多台阶反射光栅的脉冲压缩装置。该装置为倍密度光栅结构,由两个周期分别为40μm和20μm的四台阶反射式光栅组成。实验得到的衍射效率可以达到70%以上,输入脉冲经过两个光栅的衍射后会按原路返回,从而达到色散补偿的效果。利用此压缩装置,脉冲宽度为66.8 fs的输入脉冲压缩至接近傅里叶变换极限脉冲,即46.6 fs,由此证明只要多台阶光栅效率足够高,此装置就有可能成为不同于棱镜对进行飞秒脉冲腔内和腔外压缩的另一种途径。