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。     

全光纤结构超短脉冲超连续谱的产生及其特性研究

超连续光谱以其光谱范围宽、平坦度好、空间相干度高和可实现的较高功率,被广泛应用于相干成像技术、光谱分析、干涉测量等诸多领域.理论上超连续光谱可由超短脉冲通过高非线性介质来实现,期间伴随着自相位调制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)、四波混频效应(FWM).随着光纤技术的发展,利用峰值功率高、光光转换效率高、体积小、结构紧凑的掺Yb超短脉冲光纤激光器作为泵浦源,高非线性的光子晶体光纤作为非线性介质来产生超连续光谱.采用主振荡功率放大结构(MOPA),自行搭建了全光纤锁模脉冲放大器,并通过熔接的方式将其耦合进入长为10 m、零色散点为1 040 nm的光子晶体光纤,在对熔接过程中放电时间、放电间隔、熔接损耗等参数进行优化后,获得了8.14 W的超连续光谱.     

基于耗散孤子共振的纳秒脉冲掺镱全光纤激光器及其倍频

报道了一种新型纳秒脉冲532 nm绿光激光器,其基频光为耗散孤子共振(DSR)方波纳秒脉冲、由掺镱光纤激光器得到,该激光器采用了全光纤主振荡功率放大(MOPA)结构设计。利用非线性偏振旋转(NPR)锁模技术,掺镱光纤激光种子源产生了稳定的DSR方波纳秒脉冲激光输出,输出激光的脉冲宽度随抽运功率的改变在3~40 ns之间可调。利用该DSR方波纳秒脉冲激光作为种子源,经过一级非保偏结构掺镱光纤纤芯放大和两级全保偏结构掺镱光纤包层放大之后,得到了平均功率为6.95 W,峰值功率为4.4 k W的脉冲激光输出。利用长度为20 mm的非线性晶体LBO作为频率转换器,得到了平均功率为2.1 W的绿光激光输出,相应的光光转换效率为30.2%。     

基于光纤可调滤波器的1024 nm锁模脉冲产生与放大研究

1024 nm波长的脉冲激光在角分辨光电子能谱测量等领域有着不可或缺的用处,因此采用基于非线性偏振旋转(NPR)锁模的全正色散掺镱光纤激光器作为种子源,搭建了包含光纤可调滤波器的主振荡功率放大系统,实现了1024 nm激光放大输出。理论上基于金斯伯格-朗道方程模拟了NPR锁模的耗散孤子脉冲演化过程,实验上获得了耗散孤子脉冲输出,并且研究了锁模脉冲的建立过程,将其与理论仿真结果相比,结果基本吻合。通过可调滤波器对种子光进行滤波,并进行预放大及放大实验,当放大级泵浦功率为5 W时,得到中心波长为1024 nm、平均功率为1.1 W、脉冲能量为51 nJ、重复频率为21.5 MHz、信噪比为67.5 dB的稳定锁模脉冲输出。     

光子晶体光纤中非线性传输的数值分析

利用数值方法求解了广义非线性薛定谔方程，模拟了飞秒激光脉冲在具有不同色散特性的光子晶体光纤（PCF）中非线性传输和超连续光谱的产生过程，分析了在反常色散区和正常色散区飞秒激光脉冲的非线性展宽机制，详细讨论了脉冲内拉曼散射（ISRS）、自陡峭（SS）效应以及高阶色散对超连续光谱产生的影响。分析结果表明．无论在光子晶体光纤的反常色散区、正常色散区还是在光纤的零色散点，脉冲内拉曼散射效应对长波波段的光谱展宽都具有重要的作用。讨论了高阶色散尤其是三阶色散对超连续光谱中反斯托克斯波的显著影响，合理地选择色散曲线，能够得到更宽更平坦的超连续光谱，表明了光子晶体光纤的可控色散特性的重要应用价值。     

腔内滤波带宽对正色散束缚态孤子形成的影响

以被动锁模正色散掺镱(Yb)光纤激光器为研究对象,实验比较研究了激光腔内滤波带宽对产生正色散束缚态孤子的影响。采用高掺Yb光纤作为增益介质,半导体饱和吸收镜作为锁模部件,获得1064 nm全光纤线型腔锁模激光器。当腔内带通滤波器选用不同带宽(0.2,1.0,1.2,2.3 nm)时,观察到不同的皮秒锁模脉冲状态。在滤波带宽较小(0.2 nm)或较大(2.3 nm)时,仅产生稳定的单脉冲耗散孤子;相反地,在滤波带宽适中(1.0 nm或1.2 nm)时,分别观察到典型的相位差为π和-π/2束缚态耗散孤子,脉宽和脉冲间隔均分别为3 ps和14 ps。将束缚态耗散孤子激光通过主控振荡功率放大技术放大至1.4 W后,将其注入到光子晶体光纤中,获得了750～1600 nm超连续谱(10 dB谱宽),输出功率约为0.7 W,相比传统耗散孤子抽运具有更好的光谱平坦性。     

光纤锁模激光器：从单模时域耗散孤子锁模到多模时空耗散孤子锁模（特邀）

在光纤锁模激光器中,模式相位锁定产生周期短脉冲的过程称为锁模过程,产生的脉冲在广义上被称为“光耗散孤子”。光纤锁模激光器从传统的单模光纤锁模激光器发展到了多模光纤锁模激光器,锁模机理从一维（1D）时域耗散孤子锁模发展到了（3+1）维时空耗散孤子锁模。通过深入理解耗散孤子的产生机理,有望进一步推动光纤锁模激光器在科学和应用领域的发展,为更多领域带来更多创新和可能性。首先介绍单模光纤锁模激光器中的一维时域耗散孤子锁模,探讨不同色散区域中时域耗散孤子的产生机理;随后介绍多模光纤锁模激光器中时空耗散孤子的最新研究成果,讨论模间色散的补偿方法,揭示其丰富的时空锁模机理和潜在的应用场景;最后对光纤锁模激光器的发展前景进行展望。     

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。     

全光子晶体光纤单级直接放大产生34W高功率飞秒脉冲

构建了全保偏双包层掺镱大模场面积光子晶体光纤(LMA-PCF)的单级飞秒激光直接放大系统。光子晶体光纤(PCF)振荡级采用孤子型锁模运转,放大级采用非线性放大技术。该系统获得的高功率飞秒脉冲输出平均功率为34W,脉冲宽度约为50fs,重复频率为42MHz,对应脉冲能量为0.8μJ,峰值功率为16.2MW。     

百皮秒激光脉冲的全光纤放大及应用

为了得到高单脉冲能量的百皮秒激光脉冲,采用自制的被动锁模掺镱光纤激光器获得了100ps的激光脉冲输出,在此基础上采用两级全光纤结构主振荡功率放大器进行功率放大,其中预放大级采用7m纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质,得到平均功率160mW的稳定脉冲输出;主放大级采用20m纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质,在抽运功率逐步增加到35.37W时,输出功率达到了16.60W,相应的单脉冲能量为1.63J,峰值功率为16.61kW。此外,主放大级输出的激光通过自制的模场转换器与光子晶体光纤(纤芯4.6m)成功熔接,得到了2.85W的白光超连续光谱,光谱波长覆盖了600nm~1700nm的检测范围。结果表明,此激光可用于超连续谱光源的产生。     

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。     

低阈值高稳定性的全保偏锁模光纤激光器

报道了一种基于色散补偿的低阈值自启动的全保偏“9”字腔光纤激光器。在谐振腔结构中加入一段色散补偿光纤进行色散补偿,同时加入相移器提供非线性相移,产生超短脉冲输出。当泵浦功率达到80mW时,可实现自启动的孤子锁模,重复频率为2218 MHz,中心波长为1557nm,脉冲宽度为536 fs,信噪比为73dB。在该稳定锁模状态下的激光器输出平均功率为104mW,对应脉冲能量为0046nJ。该激光器结构简单,具有低阈值、自启动的优势,可作为种子源,广泛应用于太赫兹产生、生物医学成像、超快光谱学等领域。     

基于全固型掺镱光子带隙光纤的被动锁模全光纤环形孤子激光器

采用全固型掺镱光子带隙光纤(AS-Yb-PBGF)作增益介质并提供反常群速色散(GVD),设计了一种被动锁模全光纤环形孤子激光器。没有使用任何块状色散补偿元件。因此,该激光器腔型结构简单、紧凑、环境稳定性高,更容易实现全光纤结构。脉冲在激光腔内的传输用广义非线性薛定谔方程描述,并采用分步傅里叶方法数值模拟了该激光器的单孤子运转的动力学过程。计算时,将AS-Yb-PBGF的长度选取为0.4m,改变激光腔内单模光纤(SMF)的长度,得出了最佳运转参数:当AS-Yb-PBGF固定为0.4 m时,选择单模光纤等于0.4 m,就可以实现脉冲宽度为244 fs,脉冲能量为14 pJ和时间带宽乘积为0.32,即接近傅里叶变换极限的单孤子运转。     

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。     

全固态带隙结构光子晶体光纤中非线性过程的数值模拟

全同态带隙结构光子晶体光纤能够同时提供大模场面积和可控色散特性,为高功率下的非线性传输过程提供了一种新的介质,尤其在构成全光纤色散补偿和高功率孤子传输器件方面具有重要的应用价值.利用改进的广义非线性薛定谔方程数值模拟了全固态带隙结构光子晶体光纤中的非线性过程,分析了这种光纤中由于带隙特性和色散特性的共同作用,对飞秒激光非线性传输过程的影响,其中最明显的效应就是带隙特性对孤子自频移有很强的抑制作用.进一步详细讨论了入射脉冲峰值功率、带隙宽度以及带隙中心位置对非线性传输过程的影响.     

用大模场光子晶体光纤获得高功率飞秒激光

最近许多实验结果表明掺Yb光纤在提高输出功率方面还有很大潜力,而且由于大模面积光子晶体光纤的使用,飞秒光纤激光器的输出已经可以与传统飞秒固体激光器相比拟。报道了利用掺Yb的保偏型大模面积光子晶体光纤进行锁模和放大方面取得的实验结果,光子晶体光纤振荡级输出重复频率为51 MHz,脉冲宽度为450 fs,平均功率为2 W的飞秒激光,对应单脉冲能量40 nJ;同时利用国产双包层大模面积光纤进行了放大实验,在平均功率为毫瓦量级的种子光脉冲输入情况下,获得了103增益。     

长腔全正色散锁模掺镱光纤激光器

报道了一种长腔掺镱锁模光纤激光器。除用以实现自启动锁模的非线性偏振旋转(NPR)元件外,激光器为全单模光纤结构,且腔内无色散补偿元件,工作在全正色散域,仅仅通过引入窄带滤波器参与脉冲整形过程输出耗散孤子。实验中通过延长单模光纤长度实现了两个长腔条件,分别得到了6.66 MHz重复频率,12 nJ单脉冲能量和5.05 MHz重复频率,20 nJ单脉冲能量的稳定锁模脉冲,噪声抑制比均为75 dB。与以往的全正色散锁模光纤激光器相比,重复频率低,单脉冲能量高,稳定性好,适用于构建简化的光纤啁啾脉冲放大(CPA)系统。     

基于种子光特性优化的光纤放大器理论分析

种子光特性直接影响放大脉冲的特性,为获得高质量放大脉冲输出,文章对基于SESAM被动锁模光纤放大器中种子光的特性进行优化模拟。理论分析了锁模光纤激光器的单模光纤长度、增益光纤长度、滤波器带宽以及输出耦合比的变化对种子光特性的影响,以及种子光携带的啁啾对放大脉冲的影响。综合色散和非线性效应等对种子光的影响,得到各项参数的最优值,并进行两级放大模拟,最终获得脉冲宽度为1353 ps、光谱宽度为115nm、平均功率为61W的高质量放大脉冲。     

基于孤子自压缩的高功率少周期2 μm激光产生（特邀）

具有少周期量级脉冲宽度的高功率2 μm波段超快激光在非线性频率变换、激光光谱学以及医疗等领域有着重要且广泛的应用。利用高功率2 μm超快光源驱动孤子自压缩是产生高功率少周期2 μm激光的一种有效方法。文中利用自建的2 μm Ho:YAG锁模碟片振荡器作为种子源,在大模场光子晶体光纤中进行光谱展宽并实现孤子自压缩,最终获得了平均功率为10.2 W、脉冲宽度为3个光学周期的2 μm激光输出。实验采用FROG对输出脉冲的宽度和光谱进行测量,并与波长计测量的光谱以及理论模拟的结果进行了比较,验证了实验结果的准确性。     

全正常色散锁模PbSe量子点光纤激光器的数值研究

为突破传统光纤激光器因增益介质为稀土掺杂光纤，辐射波长相对固定的困境，由于量子点尺寸依赖的辐射波长，本文提出全正常色散锁模PbSe量子点光纤激光器，通过数值计算得到了1.7μm稳定的耗散孤子锁模，并系统地数值研究了使用该激光器输出耗散孤子的启动动力学、谐振腔内激光的演化和激光器的稳态输出特性，探索了增益光纤的长度和浓度、谐振腔的长度对输出特性的影响。当泵浦功率为0.1 W时，最佳的增益光纤长度为0.3 m，掺杂浓度为12×10²¹ m^-3，此时的脉冲宽度为7.59 ps，光谱的宽度为13.77 nm，耗散孤子在单模光纤长度为2～7 m范围内保持稳定。当被动光纤长度为0.1 m时，激光器输出了22个峰、包络宽度为22.33 nm的多波长激光，光谱覆盖了1678～1724 nm，此时时域中观察到一对间隔为4 ps、单脉冲宽度为0.92 ps的孤子对。该研究结果对超快量子点光纤激光器的建立和优化提供了理论指导，为特殊波长超快光纤激光提供了新的选择。