全固態(tài)及光纖超短脈沖激光放大研究.pdf

1、性能穩(wěn)定可靠且重復頻率為100 kHz-1 MHz的高平均功率高能量超短脈沖激光由于在激光精密微加工、臨床醫(yī)學、超快光譜和國防等方面的廣泛應用，近年來倍受人們的重視。針對大量研究應用領域?qū)Ω咂骄β食旒す馄鞯陌l(fā)展需求，本論文分別采用電光調(diào)制再生放大和多次單通放大相結(jié)合的技術以及聲光調(diào)制的全光纖啁啾脈沖放大技術，系統(tǒng)開展了高重復頻率、高脈沖能量全固態(tài)及光纖飛秒激光放大的研究，得到了重復頻率百kHz、平均功率21 W的皮秒激光放大輸出和重

2、復頻率為1 MHz、單脈沖能量為10.5μJ的全光纖飛秒激光放大輸出。
　　此外針對上述激光系統(tǒng)對結(jié)構緊湊、成本低廉、操作簡易以及體積小巧的飛秒種子源要求，進一步采用具有保偏特性的大模場棒狀光子晶體增益光纖與全正色散非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術相結(jié)合的方法，進行了環(huán)境穩(wěn)定的高功率全正色散棒狀光纖飛秒鎖模激光振蕩器的研發(fā)，對于推動百瓦飛秒激光放大的前端系統(tǒng)向著簡易化方向發(fā)展，取得了具有重要意義的結(jié)果。
　　論文的主要研究工作進展和取

3、得的創(chuàng)新性成果有:
　　1.以全固態(tài)皮秒鎖模激光振蕩器作為種子源和808 nm高功率二極管激光器作為泵浦源，開展了高平均功率全固態(tài)Nd∶YVO4皮秒激光的放大研究。該系統(tǒng)由再生放大器和三級單通功率放大器組成。為了提高放大效率，設計了脈沖在腔內(nèi)往返一周四次通過增益介質(zhì)的新型再生放大腔結(jié)構，將脈沖寬度10 ps、中心波長1064 nm、重復頻率68 MHz的種子激光經(jīng)過該再生腔進行脈沖選單和放大后，獲得了重復頻率為100kHz、最高平

4、均功率達2.6 W的激光輸出。進一步經(jīng)過三級單通功率放大器放大后，在該重復頻率下最終得到了平均功率21W、對應脈沖寬度為30 ps的結(jié)果，每一級的功率提取效率分別為31％、26％和36％。在水平和垂直方向測量得最終放大激光的輸出M2光束質(zhì)量因子分別是2.0和1.9。
　　2.采用高摻雜Yb增益光纖，結(jié)合非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術，實現(xiàn)了高信噪比且重頻可調(diào)諧的全正色散飛秒諧波鎖模光纖激光運轉(zhuǎn)，并且給出了相應的理論解釋。在22 MHz的基

5、波鎖模情況下，通過微調(diào)偏振控制器和雙折射濾波片，得到了最高88MHz的四次諧波鎖模輸出，相應的邊模抑制比高達73 dB。經(jīng)過腔外光柵對壓縮后的脈沖寬度為624 fs。此外實驗中還發(fā)現(xiàn)，在實現(xiàn)諧波鎖模運轉(zhuǎn)的過程中，調(diào)節(jié)波片和雙折射濾光片的狀態(tài)，腔內(nèi)往返一周脈沖的個數(shù)和其時間間隔是可控制的，即具有連續(xù)的可調(diào)節(jié)性。以上現(xiàn)象對進一步理解和探索全正色散耗散孤子鎖模內(nèi)在機制具有重要意義。在此基礎上，進而開展了低重復頻率高能量全正色散鎖模激光器的研究

6、，在1.7 MHz重復頻率下，首次采用雙折射濾波片作為光譜調(diào)制器件，實現(xiàn)了同步的三波長鎖模運轉(zhuǎn)，而且獲得了在全正色散多波長鎖模激光器中的最高輸出功率和最寬調(diào)諧范圍，并基于四波混頻的理論對同步三波長鎖模機制進行了解釋。
　　3.采用纖芯直徑為85μm且具有保偏特性的棒狀光子晶體光纖作為增益介質(zhì)，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了環(huán)境穩(wěn)定的高功率棒狀光纖鎖模激光器，得到了平均功率16 W、脈寬182fs、重復頻率58 MHz的輸出結(jié)果。進一步，基于改進

7、的振蕩腔結(jié)構同時結(jié)合976 nm窄線寬100W多模二極管激光泵浦，獲得了功率31W、脈寬124fs、重復頻率57.93 MHz和長期功率穩(wěn)定性優(yōu)于0.3％的高功率環(huán)境穩(wěn)定的棒狀光纖鎖模激光器。此外采用自主研發(fā)的30 MHz飛秒激光振蕩器作為種子源，將其先經(jīng)過第一級單模光纖放大到321mW后，通過光柵對引入負色散對脈沖展寬又經(jīng)由第一級纖芯直徑為85μm的棒狀光纖進行功率放大，實現(xiàn)了平均功率32.6 W、脈寬6.5 ps的激光脈沖序列輸出。

8、隨后再經(jīng)偏振相關的隔離器及第二級光子晶體光纖放大后，獲得了53.4W的平均功率激光輸出。
　　4.開展了啁啾脈沖放大飛秒光纖激光產(chǎn)生高能量飛秒脈沖的研究。利用自主研發(fā)的色散管理Yb光纖飛秒激光振蕩器作為種子源，結(jié)合單模光纖時域色散展寬脈沖寬度和聲光調(diào)制器進行重復頻率控制以及后續(xù)的光纖放大，實現(xiàn)了重復頻率為1 MHz、最高輸出單脈沖能量為10.5μJ的全光纖飛秒激光放大器，相應的壓縮脈寬為804fs。實驗中發(fā)現(xiàn)在6.75μJ能量輸出