高功率线偏振皮秒脉冲掺镱全光纤激光器及其倍频特性研究

作     者：李燕苹 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王璞

授予年度：2014年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：光纤激光器 超短脉冲 线偏振 倍频 绿光 

摘      要：高功率皮秒脉冲光纤激光器由于其良好的光束质量、散热方便、结构简单紧凑等优点广泛应用于材料加工、精密制造等领域，而在倍频等非线性频率转换领域的应用需要线偏振激光光源，所以线偏振输出的皮秒脉冲光纤激光器具有很大的应用前景和研究意义。此外，由于某些材料对可见光的吸收比对红外的吸收更为明显，因此绿光激光器在工业应用方面的需求更为广泛。本文以研制高功率线偏振皮秒脉冲掺镱全光纤激光器及其倍频的绿光激光器为目标，对线偏振超短脉冲光纤放大器的主要技术路线和超短脉冲倍频理论进行了系统研究。主要包括以下内容： (1)对半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模的皮秒脉冲掺镱光纤激光器进行实验研究。结合SESAM和被动锁模技术的优势，采用环形腔结构，带宽2.68nm的光谱滤波器用来定义激光器输出中心波长。在泵浦功率200mW时，实现稳定锁模脉冲序列输出，重复频率为28MHz，脉冲宽度为30ps。中心波长在1064.02nm处，3dB光谱宽度为2.59nm，光谱具有明显的陡沿结构特征，表明在全正色散腔光纤激光器中实现了耗散孤子锁模脉冲输出，这是腔内色散、光纤非线性克尔效应、可饱和吸收效应、增益和损耗相互作用的结果。在无脉冲分裂的最大泵浦功率250mW时，实现平均功率42mW输出。经过保偏光纤隔离器起偏后，得到了平均功率20mW的线偏振激光输出。这种结构简单紧凑、性能优越的低功率光纤激光器适合作为高功率放大器的种子光源。 (2)对主振荡功率放大(MOPA)结构掺镱保偏光纤放大器进行实验研究。以SESAM锁模掺镱光纤激光器作为种子源，经过两级双包层掺镱保偏光纤放大器，在最大可用泵浦功率23W时，实现平均功率10W输出，光-光转换效率为46%，相应的峰值功率和单脉冲能量分别是11.9kW和357nJ。脉冲宽度和偏振消光比分别为30ps和17dB。即使在最大输出功率下，在中心波长1064.31nm右侧并没有出现由受激拉曼散射(SRS)产生的光谱成分，这是因为SRS具有明显的阈值性。只有达到SRS阈值，才会发生泵浦光向低频斯托克斯光的能量转移;但是光谱出现了明显展宽，3dB光谱宽度为6.18nm，这是由于非线性相移与光强有关，导致自相位调制(SPM)感应出频率啁啾造成的。 (3)对皮秒脉冲掺镱光纤激光器倍频产生绿光进行理论分析和实验研究。首先，从含有二阶极化矢量的麦克斯韦方程出发，推导超短脉冲二次谐波理论，指出在超短脉冲倍频过程中，需要同时满足两个匹配条件：相位匹配和群速度匹配。其次对非线性晶体主要特性和相位匹配技术进行说明，重点介绍了BBO晶体及其角度相位匹配技术和LBO晶体及其温度相位匹配技术。再次，介绍了常用的非线性软件SNLO，并对倍频设计方案进行了仿真。最后，分别采用BBO晶体的I类角度相位匹配技术和LBO晶体的I类温度相位匹配技术，设计了直线腔外腔式单程倍频装置，进行了皮秒脉冲掺镱光纤激光器的倍频实验研究。分别采用两种相位匹配技术，在最大基频光功率时，均实现了瓦级绿光输出，中心波长为532nm，光谱宽度为2nm。对造成倍频效率低的三个主要因素：基频光线宽、晶体长度和偏振度进行分析，并指出在后续相关工作中，应该研制高功率、高偏振度的窄线宽基频光光源，选择合适的非线性晶体，实现光纤激光器高效率的频率转换。