高功率飞秒光梳精密控制与应用探索

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论文详情
基于锁模飞秒脉冲时-频域精密控制的光学频率梳在超快激光领域引发了重要的技术革新。飞秒光梳输出激光具有良好的相干性与频率精确度,并能够实现覆盖一个倍频程的宽带光谱输出。如果将飞秒光梳的某一根梳齿锁定到稳定的窄线宽连续光源上,则可以形成窄线宽光梳并完成频率的精密传递。另一方面,通过激光放大器提升超短脉冲的峰值能量,可以增强光梳输出激光的探测灵敏度,从而将高功率飞秒光梳系统运用到诸如紫外与中红外频段拓展、阿秒脉冲产生、天文光谱仪校准、精密光谱与距离测量、微波光子学等前沿科学研究中。围绕着“高功率飞秒光梳精密控制与应用探索”这一主题,本论文依次从光梳种子源振荡器的优化、超短脉冲功率放大、高功率脉冲载波包络相位探测与相位噪声抑制等方面展开了深入研究与分析讨论,实现了脉冲平均功率100 W,峰值功率15 MW的自相似脉冲放大系统;并进而利用基于声光移频器的前向式反馈控制技术对高功率脉冲进行载波包络相位控制,获得了平均功率50 W,脉冲宽度54 fs的掺镱光纤光学频率梳系统。该系统中受控的载波包络相位信号线宽为11 mHz,累积相位噪声为1.25 rad。此外,研究中继而开展了时-频域精密控制的高功率光梳在特殊非线性光学现象激发与光学精密测量等方面的应用探索。本文的主要研究内容和创新点总结如下1.优化光纤光学频梳种子源的结构特性,在非线性偏振旋转锁模激光器的基础上发展基于法拉第旋转器的偏振补偿式色散控制技术,从而有效降低腔内光栅的衍射损耗并提高激光器的结构稳定性,在约48 mW的锁模阂值下获得了脉宽55 fs,峰值功率2.9 kW的近红外超短脉冲;开展光纤激光器中的波形控制研究,利用腔内自相位调制效应实现具有较高自由运转频率精度的自相似脉冲,为后续超短脉冲高功率放大和光梳载波包络相位噪声的长期抑制提供稳定光源。2.研制超短脉冲光纤功率放大器,利用基于全光纤时域展宽器的啁啾脉冲放大系统实现泵浦斜效率为62%,最大平均输出功率值为270 W,单脉冲能量为4.5μJ的基模高功率脉冲输出,压缩后的超短脉冲具有625 fs的时间宽度,脉冲峰值功率为4.3 MW;发展自相似放大技术,克服超短脉冲放大过程中的非线性效应与有限增益带宽制约的难题,通过预啁啾管理方案加速增益光纤内超短脉冲演变,实现了压缩后平均功率为90 W,脉冲宽度为60 fs,峰值功率为15 MW的超短脉冲输山。该平均功率值是已报道同类放大技术最大输出功率的5倍,为高功率飞秒光梳系统提供可靠驱动源。3.开展新型放大材料的激光特性研究,利用无水基流延成型法制备新型Yb:YAG透明陶瓷激光介质,并得到腔内直接输出功率为7 W,泵浦转换效率达到60.2%的高功率连续光输出与平均功率450 mW,时域3 ps的脉冲光输出;同时,利用该固体脉冲激光器作为种子源,在非线性光纤放大系统中获得最大平均功率为100 W,脉度为70 fs,光谱范围超过85 nm的高质量宽带超短脉冲输出,为研制基于块状增益介质的新一代集成化高功率飞秒光梳开辟道路。4.实现高功率超短脉冲的时频域精密操控,获得平均功率50W,脉冲宽度54 fs的高功率光学频率梳系统。利用基于声光移频器的前馈式相位噪声抑制技术对脉冲载波包络相位进行精确锁定,受控的载波包络相位信号线宽达到11mHz,累积相位噪声为1.25 rad,载波与包络的相对时间抖动量为418 as,连续锁定时间超过1小时。利用锁相环电子反馈系统将脉冲重复频率的长期频率漂移量被稳定在±3 mHz的范围内,频率精度标准偏差达到0.795 mHz。该光梳系统的平均功率水平达到了前向反馈式光学频率梳的最高水平5.在高功率飞秒光梳的应用探索中,利用高功率超短脉冲激发光子晶体光纤中耗散孤子增强、光极化和二次谐波产生等综合性非线性作用,获得最短波长在300nm,转换范围超过100 nm的宽带倍频紫外光;首次利用飞秒光梳作为参考源探测连续激光器输出线宽,使光纤单频激光器和外腔半导体激光器的测量结果达到了行业内领先水平;同时,对基于双光梳测量技术的光谱遥感系统进行了原理性实验验证,在扫描时间0.1 ms内获得较高分辨率精度的距离测量结果。
论文摘要第6-8页
Abstract第8-9页
第一章 前言第13-29页
    1.1 研究背景介绍第13-26页
        1.1.1 光学频率梳的技术原理与发展历程第14-17页
        1.1.2 高功率飞秒光梳的技术要点第17-22页
        1.1.3 飞秒光学频率梳的应用第22-26页
    1.2 论文的主要工作及创新点第26-29页
        1.2.2 论文的主要工作第26-28页
        1.2.3 创新点第28-29页
第二章 超短脉冲光纤振荡器的研究第29-45页
    2.1 光纤中的非线性偏振旋转锁模原理第29-32页
    2.2 低阈值超短脉冲光纤振荡器的研究第32-36页
        2.2.1 色散补偿式激光腔的设计方案第32-34页
        2.2.2 低阈值锁模光纤激光器的工作特性第34-36页
    2.3 超短脉冲光纤振荡器波形控制的实验研究第36-44页
        2.3.1 研究目的与实验设计方案第36-38页
        2.3.2 超短脉冲波形变化的成因分析第38-41页
        2.3.3 波形可控式光纤振荡器的工作特性第41-44页
    2.4 小结第44-45页
第三章 超短脉冲功率放大技术第45-72页
    3.1 光纤啁啾脉冲放大技术研究第45-51页
        3.1.1 啁啾脉冲放大的技术原理第45-46页
        3.1.2 啁啾脉冲放大系统的设计方案第46-49页
        3.1.3 超短脉冲啁啾放大的实验结果与讨论第49-51页
    3.2 光纤非线性放大技术研究第51-60页
        3.2.1 自相似脉冲放大的技术原理第51-53页
        3.2.2 自相似放大系统的设计方案第53-56页
        3.2.3 超短脉冲自相似放大的实验结果与讨论第56-60页
    3.3 新型激光放大介质的性能研究第60-70页
        3.3.1 高功率固体激光器的研究现状第61-63页
        3.3.2 新型Yb:YAG陶瓷介质的激光特性第63-68页
        3.3.3 新型Yb:YAG陶瓷激光器的非线性放大研究第68-70页
    3.4 小结第70-72页
第四章 高功率飞秒光学频率梳的精密操控第72-95页
    4.1 重复频率的控制实验研究第72-76页
        4.1.1 基于锁相环的伺服电路设计方案第72-74页
        4.1.2 重复频率控制的实验结果与讨论第74-76页
    4.2 载波包络相位的控制实验研究第76-87页
        4.2.1 载波包络相位的探测技术第76-81页
        4.2.2 声光移频品体的工作特性第81-83页
        4.2.3 前馈式载波包络相位噪声的抑制结果第83-87页
    4.3 高功率光梳的噪声分析与抑制研究第87-94页
        4.3.1 高功率光梳系统的噪声来源第87-92页
        4.3.2 高功率光梳的噪声抑制结果与分析第92-94页
    4.4 小结第94-95页
第五章 飞秒光学频率梳的应用探索第95-121页
    5.1 宽带光纤紫外光产生的实验研究第95-106页
        5.1.1 紫外激光的产生方法与研究意义第95-97页
        5.1.2 光纤中的光极化现象与二次谐波产生第97-99页
        5.1.3 宽带光纤紫外光的实验结果与分析第99-106页
    5.2 基于光学频率梳的连续激光线宽测量技术第106-113页
        5.2.1 测量原理与设计方案第106-108页
        5.2.2 光纤布拉格光栅式连续激光器的线宽测量研究第108-110页
        5.2.3 外腔半导体激光器的线宽测量研究第110-113页
    5.3 双光学频率梳精密测量研究第113-120页
        5.3.1 双光梳精密测量技术的原理第113-115页
        5.3.2 光梳光谱遥感系统的设计方案第115-118页
        5.3.3 光梳光谱遥感系统的探索结果第118-120页
    5.4 小结第120-121页
第六章 总结与展望第121-123页
    6.1 论文工作总结第121-122页
    6.2 未来工作展望第122-123页
参考文献第123-135页
攻读博士学位期间的学术成果第135-139页
致谢第139页
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