超快光纤激光器锁模方法及脉冲特性研究

作     者：程佩芸 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：博士

导师姓名：舒学文

授予年度：2023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 锁模激光器 可饱和吸收体 非线性多模干涉 调Q锁模脉冲 光偏振畴 

摘      要：超快光纤激光器这一类散热快、易集成、短脉宽、高峰值、宽光谱的高效激光器,在通信、医疗、工业以及军事等领域有着广阔的应用前景。要实现短脉冲的输出,一般需要依赖激光器中的调Q或锁模技术。调Q技术所实现的脉冲受限于激光腔内光子寿命,一般只能达到微秒到纳秒量级,而锁模技术则可以实现皮秒到飞秒量级的超短脉冲。目前应用广泛的主动锁模技术需要使用电光、声光或者机械调制器件,其结构复杂且成本高昂。可饱和吸收体作为被动锁模技术中促使超短脉冲形成的关键性器件,近些年来也得到了广泛关注和研究。基于半导体可饱和吸收镜、非线性偏振旋转、非线性光环形镜等各种类型的可饱和吸收体被一一发现并应用于光纤激光器中,也获得了各种不同类型的超短脉冲输出。但由于其制作工艺复杂、工作范围受限、稳定性差等问题,难以被广泛应用。随着对不同应用场景下不同类型超快激光器需求的攀升,人们致力于寻找制备简便、灵活可调、特性稳定的可饱和吸收体材料或器件,以实现成本更为低廉、功能多样、结构紧凑、性能稳定的超快光纤激光器。 为此,本论文围绕新型可饱和吸收体展开研究,制备了基于磁流体Fe3O4纳米材料和多模光纤干涉结构的可饱和吸收体,观测了其在不同光纤激光器中的调Q和锁模性能,并对激光器输出的不同脉冲状态进行了测量和分析。与此同时,在可饱和吸收体的实验过程还发现了光纤激光器中的偏振畴脉冲以及自锁模脉冲现象,并对其演化过程和形成原理进行了讨论。 本论文的主要研究内容包括: （1）研究了Fe3O4纳米颗粒的可饱和吸收特性及其在光纤激光器中的应用。实验制备了Fe3O4纳米材料与光纤连接头集成的“三明治结构可饱和吸收体,并搭建了基于该可饱和吸收体的掺铒光纤激光器,得到调Q脉冲输出。通过降低材料浓度减小薄膜厚度,改善材料的光学吸收调制特性,在基于Fe3O4可饱和吸收材料的掺铒光纤激光器中,实现了稳定孤子锁模以及调Q锁模脉冲输出。为探究Fe3O4纳米材料在其他波段的吸收特性以及磁场响应特性,将含有Fe3O4纳米颗粒的磁流体材料与拉锥光纤集成,得到了基于磁流体材料的倏逝场型可饱和吸收体,在掺镱光纤激光器中,实现了1030 nm稳定锁模脉冲输出。实验得到的不同波段锁模脉冲均具有皮秒量级脉宽,相比于前人利用该材料实现的纳秒或微秒调Q脉冲,其性能得到了明显提升。实验还测量了外加磁场对该磁流体光纤结构透射谱的影响,研究了基于磁流体和非线性偏振旋转混合锁模的光纤激光器的锁模脉冲光谱对外界磁场的响应特性。 （2）研究了基于非线性多模干涉效应的多模光纤可饱和吸收体。将渐变折射率多模光纤与单模光纤进行中心对准熔接,制备得到光纤干涉结构,并通过将多模光纤放入挤压型偏振控制器中引入额外相移,解除了以往多模光纤作为可饱和吸收体时对其长度的高精度要求,获得了灵活可调控的光纤可饱和吸收体。将其接入掺镱光纤激光器中,实现了稳定的耗散孤子锁模、类噪声脉冲以及调Q锁模脉冲等多种类型脉冲输出。随后基于色散傅里叶变换技术,对调Q锁模脉冲光谱进行实时监测,发现其具有周期性的光谱呼吸特性。实验还捕获了激光从连续波到调Q锁模脉冲的启动瞬间,展示了激光经过噪声自脉动、弛豫振荡、剧烈调Q振荡阶段到稳定调Q锁模的独特实时光谱演化过程。此外,使用相同的方法制作了基于少模光纤的新型可饱和吸收体,将其应用于光纤激光器中,同样实现了锁模脉冲输出。 （3）实验观测了光纤激光器中的偏振畴和自锁模脉冲现象。在未加入锁模器件以及其他非线性调制器的130米长掺铒光纤激光器中,通过调节腔内偏振控制器和泵浦强度,得到不同状态的偏振畴脉冲以及谐波畴壁脉冲输出。通过微调偏振控制器,实验观测了腔内双折射逐渐变化时偏振畴状态的演变过程。实验发现当双折射减小并趋近于零时,偏振畴会逐步分裂最终演化形成稳定的“巨型基频自锁模脉冲。根据实验结果推测该自锁模脉冲由偏振畴分裂得到的复杂多子畴脉冲演变而来,与长光纤腔中强烈的偏振模相干交叉耦合等非线性效应有关。