超短脉冲激光精密时—频域控制.doc

超短脉冲激光精密时频域控制【摘要】：超短脉冲激光技术提供了高时间分辨率,高频率精度的测量手段,极大的提高了人类探索自然界规律的能力,成为探索、揭示微观世界规律的前沿科学与高新技术的基点和关键。本论文主要围绕超短脉冲激光的时-频域精密控制开展研究工作。在激光时域控制上,探索了锁模超短脉冲激光器的原理与结构,研制了超短脉冲飞秒光纤激光器,获得了超短脉冲激光源,为精密时-频域控制提供了种子源。在时域同步控制上,探索了基于非线性交叉相位调制的超短脉冲全光同步技术,完成了谐波锁模激光,多波长锁模激光,纳秒方波锁模激光与超短脉冲激光之间的同步,并研究了同步锁模超短脉冲激光应用于单光子频率上转换探测实验的相关问题。在激光频域控制上,研制了50W平均输出功率载波包络偏移频率稳定的超短脉冲激光系统,为紫外光学频率梳的产生奠定了基础。本学位论文的主要成果包括：1.时域上,超短脉冲激光产生是开展精密时-频域控制的基础。基于激光锁模原理,首先完成了超短飞秒脉冲光纤激光器的研制工作。1)利用光纤内的非线性偏振旋转效应,完成了超短脉冲锁模掺铒光纤激光器的研制。当腔内的色散为负值时,激光腔内的脉冲光以孤子波方式运转,脉冲的峰值功率被限制,脉冲宽度较宽。当引入色散管理手段后,通过展宽脉冲锁模方式,获得了宽度为92fs的超短脉冲激光输出。2)完成了非线性偏振旋转锁模掺镱光纤激光器的研制工作,提出了在腔内插入掺铒光纤方式提供附加饱和吸收的方案,有效的抑制了激光腔内的脉冲分裂,得到了41fs单脉冲运转的超短脉冲激光输出。2.当不同波长的两束激光在同一光纤内传输时,由于交叉相位调制作用,一束光会使另一束光的非线性折射率发生变化,导致非线性偏振旋转。在此现象基础上,开展了时域上脉冲激光的精密同步工作。1)利用主-从模式的腔结构,完成了谐波锁模的掺铒光纤激光器与锁模Yb:GSO激光器的同步。同步激光器腔长失匹长度达14mm,有效的抑制了外界扰动对同步系统的干扰。并且在腔长失匹较大的情况下,脉冲呈现堆积展宽现象。利用该现象可应用于超短脉冲整形,光参量啁啾脉冲放大等领域的工作。2)利用部分光谱放大和交叉相位调制技术完成了800nm,1030nm,1550nm三波段飞秒超短脉冲激光同步。800nm,1030nm脉冲之间的时间抖动为0.55fs,1030nm,1550nm脉冲之间的抖动为8.3fs。3)利用长腔激光器中的峰值功率钳位效应,获得了脉冲宽度为5.5ns的方波脉冲锁模掺铒光纤激光器。并利用交叉相位调制技术,以全光方式实现其与超短脉冲锁模掺镱光纤激光器的同步。同步激光器腔长最大失匹为2.6mm,脉冲之间的时间抖动为4.3ps。4)利用同步超短脉冲锁模掺铒、掺镱光纤激光器,完成了高速脉冲泵浦方式的单光子频率上转换探测实验,单光子转换效率达31.2%。3.在精密频域控制上,开展了高功率、高重复频率超短脉冲激光的载波包络偏移频率稳定工作。通过双包层光子晶体光纤放大技术,获得了50W平均功率输出的超短脉冲激光。利用交叉参考的拍频方式,完成了超短脉冲的载波包络偏移频率探测,并通过锁相环电子反馈电路,实现了偏移频率的精密锁定。锁定后的开环偏移频率线宽为2.27mHz,脉冲载波包络相位噪声为0.72rad,对应的时间抖动为300as。此项工作为今后开展紫外光学频率梳的研究奠定了基础。【关键词】：超短脉冲光纤激光器非线性偏振旋转脉冲同步载波包络相位稳定【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：TN248【目录】：论文摘要6-8Abstract8-11目录11-14第一章前言14-281.1超短脉冲激光精密时-频域控制的背景与最新进展14-231.1.1飞秒超短脉冲光纤激光简介14-151.1.2超短脉冲激光器同步控制简介15-171.1.3载波包络相位稳定简介17-191.1.4飞秒光学频率梳的应用19-231.2论文选题的意义、主要工作以及创新点23-281.2.1选题的意义231.2.2主要的工作23-251.2.3创新点25-28第二章超短脉冲光纤激光的产生与测量28-422.1光纤激光器锁模方式29-322.1.1主动锁模光纤激光器29-302.1.2饱和吸收体锁模光纤激光器30-312.1.3非线性环形镜锁模光纤激光器31-322.1.4非线性偏振旋转锁模322.2非线性偏振旋转锁模的原理32-382.2.1非线性薛定谔方程32-332.2.2光纤中的非线性双折射33-342.2.3非线性双折射导致的偏振旋转34-382.3超短脉冲宽度测量方式38-412.3.1双光子吸收法自相关仪38-402.3.3二次谐波法自相关仪40-412.4小结41-42第三章飞秒光纤激光器实验研究42-523.1非线性偏振旋转锁模的掺铒光纤激光器43-463.2单脉冲输出的掺镱飞秒光纤激光器46-503.3小结50-52第四章超短脉冲激光的控制与应用研究52-804.1光纤中交叉相位调制引起的非线性偏振旋转效应53-554.2同步谐波锁模掺铒光纤激光器55-614.3三波长同步超短脉冲激光产生61-674.4纳秒方波脉冲的形成与同步67-754.4.1长腔光纤激光器中纳秒方波脉冲的形成67-694.4.2纳秒方波脉冲与超短脉冲的同步69-754.5同步激光器在单光子频率上转换探测中的应用75-784.6小结78-80第五章载波包络相位稳定研究80-965.1超短脉冲激光载波包络相位81-835.2f-2f自参考载波包络相位的探测与稳定83-895.2.1非共线型的f-2f自参考系统85-865.2.2共线型的f-2f系统86-875.2.3载波包络相位稳定的电子反馈系统87-895.3基于差频(DFG)的载波包络相位稳定实验89-955.4小结95-96第六章高功率超短脉冲激光的载波包络相位稳定研究96-1186.1超短脉冲激光的高功率放大技术97-1016.1.1啁啾脉冲放大97-1006.1.2光参量放大100-1016.1.3光参量啁啾脉冲放大1016.2高功率光纤放大器101-1056.3高功率超短脉冲激光的载波包络相位稳定实验105-1166.3