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掺Yb～（3+）光纤超短脉冲激光器的研究

掺Yb～（3+）光纤超短脉冲激光器的研究

作者：林宏奂中国工程物理研究院

学位级别：硕士

本论文以掺Yb光纤激光器为研究对象，对被动锁模环形腔掺Yb光纤激光器进行了研究，同时也进行了普通环形腔掺Yb光纤激光器的研究，完成的主要工作有以下几个部分： 1．普通掺Yb光纤激光器的研究。 (1)普通掺Yb光纤激光器的理论... 详细信息

本论文以掺Yb光纤激光器为研究对象，对被动锁模环形腔掺Yb光纤激光器进行了研究，同时也进行了普通环形腔掺Yb光纤激光器的研究，完成的主要工作有以下几个部分： 1．普通掺Yb光纤激光器的研究。 (1)普通掺Yb光纤激光器的理论研究，包括： A．从粒子速率方程出发，在***理论研究的基础上，推导了掺Yb光纤激光器的斜率效率、泵浦阈值和激光输出功率的表达式，研究了各个性能参数和结构参数的关系。 B．研究前向、后向和前后双向泵浦对激光器性能影响的结果表明：双向泵浦方式可以使光纤内的功率和增益分布均匀，降低注入端的功率密度;后向泵浦方式的增益分布也较为平坦，而且容易获得较高的激光输出功率。 (2)普通环形腔掺Yb光纤激光器的实验研究，包括： A．采用不同长度的掺Yb光纤对激光器的阈值、斜率效率、输出功率与掺Yb光纤长度的关系进行了实验研究。 B．采用不同泵浦方式，实验研究了激光器的阈值、斜率效率、输出功率与泵浦方式的关系。 C．采用不同耦合比的输出耦合器，对激光器的阈值、斜率效率、输出功率与环形腔光纤激光器的输入耦合比的关系进行了研究。 D．采用带通滤波器，实现了掺Yb光纤环形激光器中心波长为1053nm，窄线宽的激光输出。 2．被动锁模掺Yb光纤激光器的研究。 (1)被动锁模掺Yb光纤激光器的理论研究，包括： A．采用附加脉冲锁模激光器的时域锁模方程分析了目前常用的两种不同锁模激光器结构下(采用等效快速饱和吸收体锁模及快速和慢速饱和吸收体结合锁模)激光器输出脉宽、啁啾、带宽、稳定性等特性，描述了掺Yb光纤超短脉冲激光器的基本工作参数和工作特性。分析表明，激光器腔内的正色散使得锁模激光器输出的脉冲啁啾加大，脉宽变宽。要得到脉宽窄的脉冲输出，必须尽可能减小腔内正色散。 B．采用非线性薛定谔方程对影响被动锁模掺Yb光纤环形激光器的启动和稳定性的因素进行了分析，给出了数值模拟结果。分析表明，增大激光器的三阶非线性增益系数和激光器的增益驰豫时间，同时增大滤波强度、色散、增益介质的饱和能量、小信号增益以及减小腔内损耗都有利于激光器的自启动;合理的激光器泵浦功率和激光器输出掺Yb，十光纤超短脉冲激光器的研究祸合有助于提高被动锁模掺Yb3+光纤激光器的稳定性。 (2)被动锁模掺Yb“+光纤激光器的实验研究。 A.在国内首次采用高掺杂Yb“+光纤，实现了掺Yb3+光纤环形激光器的NPE被动锁模，锁模中心波长1045.58nln，光谱宽度6nln，重复频率20MHz，输出最大功率为25mw。 B.在实验的基础上提出了新方案，为fs级掺Yb3+光纤激光器的设计提供了指导: a.在原有的基础上继续优化激光器，缩短腔长至5m以下，将激光器输出惆啾脉冲经光纤放大器进行CPA放大，然后用光栅对进行压缩。 b.重新设计激光器，采用光纤环形器和惆啾光纤光栅(CFBG)对激光器腔内色散进行补偿。或者采用惆啾光纤光栅(CFBG)对激光器腔内色散进行补偿，同时引入偏振分束器，通过对偏振控制器的调节实现脉冲宽度的可调节输出。

关键词：掺Yb3+光纤激光器,被动锁模,阈值,斜率效率,自启动,稳定性

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基于光纤激光倍频的高功率绿光光源研究进展

强激光与粒子束 2023年第7期35卷 40-47页

作者：马天李富全林宏奂中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

详细调研了近年来基于光纤激光倍频的高功率绿光光源的研究进展,绿光激光功率从百瓦到千瓦,光束质量近衍射极限,而且输出功率有望进一步提升。采用光纤激光倍频技术得到高功率绿光光源的技术路线大致分为两条:一条是用高功率单子束光纤... 详细信息

详细调研了近年来基于光纤激光倍频的高功率绿光光源的研究进展,绿光激光功率从百瓦到千瓦,光束质量近衍射极限,而且输出功率有望进一步提升。采用光纤激光倍频技术得到高功率绿光光源的技术路线大致分为两条:一条是用高功率单子束光纤激光器作为基频光源,然后级联单程非临界相位匹配LBO晶体作为倍频;另一条是用多子束光纤激光器作为基频光源,然后合成与倍频分别实现,或者合成与倍频一体实现。对比两条技术路线,前者相对后者简单,后者具有更高输出功率的潜力,但是倍频晶体的弱吸收是两条技术路线共同面临的问题。

关键词：激光光学高功率光纤激光倍频技术绿光激光相位匹配

多束高重复频率全光纤激光脉冲时间波形实时精密测量技术

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强激光与粒子束 2014年第8期26卷 17-22页

作者：许党朋王建军黄志华田小程林宏奂张锐朱娜邓颖中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

提出了一种基于时分复用的多束高重复频率全光纤激光脉冲时间波形实时精密测量技术,针对分类成组的多束高重复频率全光纤激光系统不同测量功能需求,分别设计了1×8时分复用器、不同延时量的1×2时分复用器,实现了48路、144个1kHz光纤激... 详细信息

提出了一种基于时分复用的多束高重复频率全光纤激光脉冲时间波形实时精密测量技术,针对分类成组的多束高重复频率全光纤激光系统不同测量功能需求,分别设计了1×8时分复用器、不同延时量的1×2时分复用器,实现了48路、144个1kHz光纤激光整形脉冲时间波形宽度、上升沿、面积等关键参数的精密测量,同时实现了多束高重复频率全光纤脉冲激光系统运行状态的实时监测。

关键词：激光聚变驱动器光脉冲产生系统时分复用技术

非线性偏振旋转锁模光纤激光器幅值稳定性模拟研究

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中国激光 2013年第2期40卷 61-66页

作者：李超赵磊黄志华林宏奂邓颖黄小军朱启华中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 中国工程物理研究院研究生部四川绵阳621900

基于光纤中的耦合波方程和琼斯矩阵建立了非线性偏振旋转锁模光纤激光器的数值模型,模拟研究了抽运激光功率抖动和腔长抖动对锁模激光器输出脉冲幅值抖动的影响。结果表明,抽运激光功率Pp的抖动对锁模激光器脉冲幅值抖动影响较大,幅值... 详细信息

基于光纤中的耦合波方程和琼斯矩阵建立了非线性偏振旋转锁模光纤激光器的数值模型,模拟研究了抽运激光功率抖动和腔长抖动对锁模激光器输出脉冲幅值抖动的影响。结果表明,抽运激光功率Pp的抖动对锁模激光器脉冲幅值抖动影响较大,幅值抖动随着Pp抖动的增大而增大,当抽运功率有±3%的随机抖动时,锁模脉冲幅值的均方根(RMS)值达到0.82%,峰-谷(P-V)值达到2.84%;而腔长抖动对脉冲幅值抖动影响较小,但腔长抖动会带来较大的脉冲时间抖动。因此要得到极低时间抖动和幅值抖动的锁模脉冲,必须对抽运激光功率和腔长的抖动加以控制。

关键词：激光器锁模光纤激光器非线性偏振旋转幅值抖动

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全光纤高峰值功率脉冲激光系统

中国激光 2011年第12期38卷 6-10页

作者：林宏奂王建军邓颖张锐许党朋朱娜李晶黄志华中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

报道了一种基于大模场光纤级联放大的全光纤高峰值功率纳秒脉冲产生系统。将单模光纤前端系统输出的10ns、100nJ任意整形脉冲输入由芯径15、30、140μm的掺镱大模场光纤级联构成的光纤放大器放大,获得了能量3.2mJ、峰值功率0.3MW的整形... 详细信息

报道了一种基于大模场光纤级联放大的全光纤高峰值功率纳秒脉冲产生系统。将单模光纤前端系统输出的10ns、100nJ任意整形脉冲输入由芯径15、30、140μm的掺镱大模场光纤级联构成的光纤放大器放大,获得了能量3.2mJ、峰值功率0.3MW的整形纳秒脉冲。研究了该光纤系统极限输出能力,在高斯脉冲注入的情况下实现了光纤系统10ns/7.2mJ/0.7MW高能量和1.16ns/3.7mJ/3.2MW高峰值功率输出。

关键词：激光器高功率光纤激光器大模场光纤放大器脉冲整形

被动谐波锁模掺Yb^(3+)光纤环形激光器

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强激光与粒子束 2006年第11期18卷 1813-1817页

作者：林宏奂隋展王建军李明中中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621000

利用光纤的非线性偏振旋转效应产生可饱和吸收体的锁模机制,从掺Yb3+光纤环形激光器中得到稳定高阶谐波锁模光脉冲。理论分析了工作于正色散区的掺Yb3+光纤环形激光器的特性。实验中观测到了掺Yb3+光纤环形激光器3种不同演化方式产生高... 详细信息

利用光纤的非线性偏振旋转效应产生可饱和吸收体的锁模机制,从掺Yb3+光纤环形激光器中得到稳定高阶谐波锁模光脉冲。理论分析了工作于正色散区的掺Yb3+光纤环形激光器的特性。实验中观测到了掺Yb3+光纤环形激光器3种不同演化方式产生高阶锁模光脉冲。4阶谐波锁模脉冲(107.2 MHz重复频率)经过1 m长高掺杂Yb3+光纤放大器放大后产生了平均功率100 mW,脉宽22.8 ps的脉冲,最后经过光栅压缩得到了平均输出功率20 mW,脉宽307 fs,脉冲中心波长1 051.2 nm,带宽13.76 nm的激光。

关键词：光纤激光器被动锁模谐波锁模脉冲压缩

直接相位调制产生周期性线性啁啾脉冲特性研究

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物理学报 2013年第10期62卷 235-243页

作者：田小程隋展黄志华林宏奂王建军张锐许党朋张永亮朱娜中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳621900 中国工程物理研究院北京研究生部北京100088 清华大学工程物理系北京100084

提出一种利用周期性抛物线调制信号对光脉冲进行相位调制以获得周期性线性啁啾脉冲的方法,并对其进行了数值模拟与实验研究.数值模拟结果表明:增益饱和效应、群速度色散以及同步误差对啁啾脉冲的时间-光谱特性影响较大;自相位调制对啁... 详细信息

提出一种利用周期性抛物线调制信号对光脉冲进行相位调制以获得周期性线性啁啾脉冲的方法,并对其进行了数值模拟与实验研究.数值模拟结果表明:增益饱和效应、群速度色散以及同步误差对啁啾脉冲的时间-光谱特性影响较大;自相位调制对啁啾脉冲的影响较小.实验获得了0.52nm带宽的周期性线性啁啾脉冲,与模拟结果符合较好.实验结果同时表明装置中存在较大的偏振模色散,导致幅频效应较大,后续的研究中需加入对此的考虑.模拟及实验研究表明:直接相位调制是一种新型的可方便地获得周期性线性啁啾脉冲的方法,其在光谱色散平滑中具有潜在应用.

关键词：直接相位调制周期性线性啁啾脉冲幅频效应

自相似脉冲在锁模光纤激光器中产生的理论研究

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中国激光 2013年第6期40卷 126-131页

作者：李超赵磊黄志华林宏奂田小程邓颖黄小军朱启华中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 中国工程物理研究院研究生部四川绵阳621900

基于非线性薛定谔方程(NLSE)建立了自相似脉冲在振荡器中的产生模型,在此模型的基础上研究了自相似脉冲在激光器中形成的物理机制。通过合理设置参数,得到自相似锁模脉冲在激光器中的演化。此自相似脉冲具有严格的线性啁啾,可压缩至90fs... 详细信息

基于非线性薛定谔方程(NLSE)建立了自相似脉冲在振荡器中的产生模型,在此模型的基础上研究了自相似脉冲在激光器中形成的物理机制。通过合理设置参数,得到自相似锁模脉冲在激光器中的演化。此自相似脉冲具有严格的线性啁啾,可压缩至90fs,脉冲峰值功率可以达到26kW。在谐振腔内,随着位置的变化脉冲宽度被展宽或压缩,这种变化主要源于光纤内的自相位调制和色散综合作用。随着腔内净色散的增加,锁模脉冲输出能量逐渐增加,腔内脉冲呼吸比逐渐降低。随着抽运功率的增加,脉冲能量和腔内呼吸比也随之增加。这种可呼吸的自相似脉冲可在腔外压缩至接近变换极限,且具有超高峰值功率。

关键词：激光器锁模光纤激光器自相似呼吸脉冲

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啁啾脉冲堆积用于光脉冲整形

光学学报 2007年第3期27卷 466-470页

作者：林宏奂隋展王建军张锐李明中中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳621900

报道了一种利用100 ps啁啾脉冲堆积产生2．2 ns任意整形脉冲的脉冲整形系统。采用掺Yb^(3+)光纤锁模振荡器得到稳定的锁模光脉冲序列,将该锁模脉冲通过啁啾光纤光栅展宽并通过1 nm带宽的高斯形光谱滤波器滤波,得到标准的100 ps高斯形啁... 详细信息

报道了一种利用100 ps啁啾脉冲堆积产生2．2 ns任意整形脉冲的脉冲整形系统。采用掺Yb^(3+)光纤锁模振荡器得到稳定的锁模光脉冲序列,将该锁模脉冲通过啁啾光纤光栅展宽并通过1 nm带宽的高斯形光谱滤波器滤波,得到标准的100 ps高斯形啁啾脉冲序列,将此脉冲选单经过光纤延迟线组成的32路脉冲堆积器,得到了精度为32 bit的重复频率为1 Hz的2．2 ns任意整形光脉冲。研究了堆积脉冲的特性,分析了宽带啁啾堆积整形脉冲的光谱时间扫描特性对激光驱动惯性约束聚变打靶束匀滑的优化作用。实验测得了该系统输出的2．2 ns整形光脉冲具有小于50 ps的上升沿,与100 ps啁啾脉冲的时间抖动小于4 ps。

关键词：激光光学惯性约束聚变脉冲整形脉冲堆积