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30000字硕士毕业论文偏振旋转锁模光纤激光器的探讨

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:激光器,光纤,脉冲
论文概述:

第一节引言光纤激光器应用范围非常广泛,可应用于光纤通讯、激光加工、军事国防安全、医疗器械仪器设备等领域。光纤激光器与气体、固体激光器相比具有以下优势:光纤制造成本低、技术

论文正文:

  第一章绪论         第一节引言光纤激光器应用范围非常广泛,可应用于光纤通讯、激光加工、军事国防安全、医疗器械仪器设备等领域。光纤激光器与气体、固体激光器相比具有以下优势:光纤制造成本低、技术成熟;光纤可以盘绕,体积小;光纤的体积面积比低,散热快,一般不需电制冷和水冷,只需简单的风冷:光在光纤中的损耗低,上转换效率高,激光闭值低,电光效率可达20%以上;光纤中可掺杂的稀土离子种类多,输出波长丰富;光纤激光器的谐振腔内无光学镜片,具有免调节、免维护、高稳定性的优点。但与固体激光器相比,光纤激光器的输出功率偏低。在不能无限增大泵浦功率的情况下,发展高峰值功率的脉冲光纤激光器,是弥补平均功率不足的主要方法。脉冲激光器不是连续运转,它绝大多数时间都在存储能量,在工作的极短时间内释放出积累的能量。输出光脉冲的峰值功率比连续激光高出了几个数量级。目前脉冲光纤激光器所用的技术主要有调Q和锁模两种。        其中,调Q技术比较简单,运行条件和调节手段比较容易实现。但是调Q脉冲宽度受调制器件的限制,很难产生皮秒量级或者更短的脉冲。与此相比锁模技术在获得超短脉冲方面具有更好的前景,1965年Mocker和Collins首次实现巨脉冲红宝石激光器的被动锁模。1966年A.J.DeMaria等人用钱玻璃激光器产生了皮秒激光脉冲[f}l。随着光纤激光器的问世,特别是进入20世纪90年代以来,光纤通信的迅猛发展,促进人们将锁模技术与光纤激光器相结合,研制出锁模光纤激光器。锁模脉冲技术在光纤激光器中的应用具有许多明显的优势,光纤激光器的腔结构简单、腔内可调节参数多,所以能够很方便地利用主动锁模技术产生满足各种需要的锁模脉冲。光纤本身具有很多特性,如自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、群速度色散(GVD)、非线性偏振旋转(NPR)等,合理地利用光纤的这些特性不仅能方便地实现被动锁模,而且能有效地改善主动锁模脉冲的质量,产生更短的光脉冲。       超短脉冲光纤激光器广泛应用稀土离子掺杂光纤作为增益介质。掺饵锁模光纤激光器是高速光信息系统的光源,其它稀土元素掺杂的锁模光纤激光器广泛的应用在激光加工,生物光子学等领域。尤其是掺镜锁模光纤激光器,具有增益带宽大,掺杂离子数密度高,吸收截面积大,激光二极管(LD)泵浦效率高等特点,是高功率光纤激光器常用的增益介质。锁模光纤激光器按照锁模方式可以分为主动锁模光纤激光器,被动锁模光纤激光器和主被动联合锁模光纤激光器。主动锁模光纤激光器需要在腔内加入主动调制元件,并需要外界注入控制信号,结构复杂且激光器的成本昂贵。除此之外,主动锁模光纤激光器由于锁模带宽的限制,很难得到皮秒(ps)量级以下的脉宽。      同时主动锁模和主被动联合锁模由于调制能力有限,限制了输出脉冲的重复频率。与上述两种方案相比,被动锁模光纤激光器是获得飞秒脉冲的有效方法,它结构简单,能在激光腔内不使用调制器之类的任何有源器件的情况下实现超短脉冲的输出,而且由于其锁模带宽很宽,可以得到几十飞秒(fs)量级的脉冲。其原理是利用非线性器件对输入光强度的依赖性窄化脉冲,得到更窄的光脉冲。它不受调制器响应速度的限制,可以得到相当稳定的锁模超短脉冲输出。第二节被动锁模光纤激光器发展现状被动锁模光纤激光器是利用光纤的非线性效应来产生超短光脉冲的,它无须在腔内加电调制信号或外界注入脉冲,其结构简单,是真正的全光器件。      它可以充分利用掺杂光纤的增益带宽,理论上讲可直接产生飞秒光脉冲。被动锁模光纤激光器主要有可饱和吸收体、非线性光纤环形镜、非线性偏振旋转三种结构。2.1可饱和吸收体加成脉冲锁模(APM)技术出现前,在激光腔内插入可饱和吸收体((SA)是激光器被动锁模的唯一方法。可饱和吸收体锁模的机理很简单:当光脉冲通过吸收体时,边缘部分被吸收,使吸收体饱和,结果是边缘部分的损耗大于中央部分,光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化了。为了定量描述饱和吸收体中的脉冲窄化,定义a。为饱和吸收体的小信号吸收系数。得到In(P}/P,.)+(凡:。一1\';)/Pa+aolQ=0(1.1)式中,P,.和P,、分别是输入、输出功率,只。是饱和功率,la是饱和吸收体长参考文献[1] DeMaria A J, Stetser D A, Heynau H. Self mode-locking of lasers with saturable absorbers.Appl Phys Lett, 1966, 8:174176 Zirmgibl M}  Stulz L W, Stone J, et al. 1.2 ps pulse from passively mode-locked laser diodepumped Er-doped fiber ring laser. Electon. Lett., 1991, 27, 1734-1735 Keller U, Miller D A B, Boyd G D, et al. Solid-state low-loss intracavity saturable absorber forNd:YLF lasers: an antiresonant semiconductor Fabry-Perot saturable absorber. Optics Lett., Loh W H, Akinson D, Morkel P R, et al. Passively mode-locked Er fiber laser using aseconductor nonlinear mirror. IEEE Photon. Techonl. Lett., 1993, S, 35-36. De Souza E A, Soccolich C E, Pleibel W, et al. Saturable absorber modelocked polarizatiomaintaining erbium-doped fiber laser. Electron. Lett.,1993, 29, 447-449 Abraham D, Nagar R, Mikhelashvili V, et al. Transient dynamics in a self-starting passivel mode-locked fiber-based soliton laser. Appl. Phys. Lett., 1993, 63, 2857 Hofer M, Haberl F, and Fermann M E } Additive pulse compression mode-locking of fiberlasers. OFC, 1991, TuHI Richardson D J, Laming R L, Payne, D N, et al. Pulse repetition rates in passive, self starting,femtosecond soliton fiber laser. IEEE Electron. Lett., 1991, 27(16),1451一1452 Nakazawa M, Yoshida E, and Kimura Y, Generation of 98 fs optical pulses directly from anerbium-doped fibre ring laser at 1.57 g,m. Electron. Lett. 1993, 29, 63-64 Stentz A J,and Boyd R W, Figure-eight fiber laser with largely unbalanced central coupler.Electron. Lett, 1994, 30:13021303[川Tsun T O, Islam M K, and Zervas M N, Self-starting passively mode-locked fiber ring laserexploiting nonlinear polarization switching. Opt. Commun, 1992, 92:6166 Ilday F O, Wise F W, and Sosnowski T, High energy femtosecond stretched pulse fiber laserwith a nonlinear optical loop mirror. Opt. Lett., 2002, 27(17) 15311533[ 13] Matas V J, Newson T P, Richardson D J, et al. Self-starting passively mode-locked fiber ring laser exploiting nonlinear polarization rotation. IEEE Electron.Lett.,1992,28(15):1391一1393[ 14] Tamura长Haus H A, and E. P. Ippen, Self-starting additive pulse mode-locked erbium fiber ring laser, Electron. Lett, 1992, 28:2226[ 15] Tamura K, Ippen E P, Haus H A, and Nelson L E, 77-fs pulse generation from a stretchedpulse mode hocked all fiber ring laser, Opt. Lett. 1993, 18: 10801082[ 16] Fermann M E, Yang L M, Stock M L, et al. Environmentally stable Kerr-type mode-lockederbium fiber laser producing 360-fs pulses, Opt. Lett.1994, 19: 43-45[ 17] Fermann M E, Sugden K and Bennion I, Generation of l OnJ picosecond pulses from amodelocked fiber laser. Electron. Lett., 1995, 31(3)194-195[18] Cautaerts V, Richardson D J, Paschotta R, et, al., Stretched pulse、、solica fiber laser, Opt62摘要 4-6 Abstract 6-7 目录 8-10 第一章 绪论 10-23     第一节 引言 10-11     第二节 被动锁模光纤激光器发展现状 11-16         1.2.1 可饱和吸收体 11-12         1.2.2 非线性光纤环形镜 12-13         1.2.3 非线性偏振旋转 13-16     第三节 超短脉冲光纤激光器研究进展 16-22         1.3.1 孤子脉冲锁模光纤激光器 16         1.3.2 展宽脉冲锁模光纤激光器 16-17         1.3.3 自相似抛物脉冲锁模光纤激光器 17-20         1.3.4 全正色散锁模光纤激光器 20-22     第四节 本论文研究的主要内容 22-23 第二章 自相似锁模光纤激光器的理论研究 23-40     第一节 锁模激光器的基本理论 23-26     第二节 自相似抛物脉冲演化的理论研究 26-30         2.2.1 光脉冲在光纤中的传输模型 26         2.2.2 群速度色散对脉冲传输的影响 26-27         2.2.3 自相位调制对脉冲传输的影响 27-30     第三节 偏振器件的数值模拟 30-33     第四节 基于 NPR锁模的自相似抛物脉冲光纤激光器的理论研究 33-38         2.4.1 NPR锁模激光器模型 33-35         2.4.2 模拟和讨论 35-38     第五节 本章小结 38-40 第三章 全正色散锁模光纤激光器的研究 40-55     第一节 全正色散锁模光纤激光器的理论研究进展 40-46         3.1.1 理论模型 40-41         3.1.2 数值模拟结果与讨论 41-44         3.1.3 激光器参数作用的总结 44-46     第二节 全正色散光纤锁模激光器的实验研究 46-50         3.2.1 相同泵浦功率下的几种锁模状态 46-49         3.2.2 稳定锁模时,功率与中心波长、光谱宽度的关系 49         3.2.3 腔长对锁模阈值、输出功率、锁模状态的影响 49-50         3.2.4 全正色散锁模光纤激光器特性初步分析 50     第三节 激光器种子源的优化及放大系统的研究 50-54         3.3.1 种子源脉冲的产生 51-52         3.3.2 两级放大系统 52-53         3.3.3 脉冲压缩与优化 53-54     第四节 本章小结 54-55 第四章 超短脉冲测量的研究 55-69     第一节 超短脉冲相关测量原理与技术概述 55-61         4.1.1 光谱和能量的测量 56-57         4.1.2 自相关测量 57-61     第二节 超短脉冲测量仪器的研制 61-68         4.2.1 自制相关器的参数和特点 62-63         4.2.2 自相关器调节和在实验中的操作要点 63-67         4.2.3 测量结果 67-68     第三节 本章小结 68-69 第五章 总结与展望 69-71 参考文献 71-75 致谢 75-76