高功率飛秒光纖激光及其相干合成技術研究.pdf

1、高能量密度物理研究是當今國際上基礎物理科學研究的重要前沿領域，其中激光驅動慣性約束聚變和激光等離子體加速器是重要的研究分支。目前，基于光纖激光相干放大網(wǎng)絡概念建造高能高功率激光驅動器是未來重要的發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景。盡管國內外相關研究仍處于初步探索階段，但是研究人員普遍認為高平均功率線偏振飛秒光纖啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification，CPA）系統(tǒng)和相干合成技術是未來發(fā)展的關鍵技術。不僅如此，相干合

2、成技術在高功率光纖飛秒光學頻率梳、非線性脈沖壓縮以及阿秒光學等領域也有潛在的應用價值。相干合成技術方案眾多，其中相干偏振合成技術在功率提升的同時可以保持良好的光束質量，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硗?，飛秒光纖振蕩器及線偏振飛秒光纖CPA系統(tǒng)是相干偏振合成實現(xiàn)的重要前提和基礎。基于此，本文以飛秒光纖激光相干偏振合成技術為主要研究對象，系統(tǒng)開展了全正色散腔被動鎖模全光纖振蕩器及其功率放大、全光纖線偏振飛秒CPA系統(tǒng)以及飛秒光纖激光相干偏振合成系統(tǒng)

3、的研究。論文主要內容如下：
　　一、首先開展了全正色散腔被動鎖模全光纖振蕩器的研究。第一，實驗研究了全正色散腔被動鎖模光纖振蕩器的光波分裂現(xiàn)象，并成功實現(xiàn)了耗散孤子諧振鎖模，完全抑制了光波分裂的產(chǎn)生，實現(xiàn)了大能量方波脈沖輸出，實驗上說明了耗散孤子諧振鎖模的多穩(wěn)定性以及輸出方波脈沖的壓縮特性，結果表明這種方波脈沖具有較大的非線性啁啾，無法被線性色散補償器件去啁啾，限制了其在 CPA系統(tǒng)中的應用。第二，通過優(yōu)化器件參數(shù)，基于全正色散腔

4、被動鎖模光纖振蕩器實現(xiàn)了低閾值功率的1.0-1.3μm全光纖級聯(lián)拉曼連續(xù)譜光源。第三，基于非保偏光纖器件設計并實現(xiàn)了1.06μm波段線偏振耗散孤子飛秒全光纖振蕩器，成功抑制了1.03μm波段放大的自發(fā)輻射，實現(xiàn)了脈寬為387 fs的飛秒脈沖輸出，可以作為飛秒光纖CPA系統(tǒng)及其相干偏振合成系統(tǒng)的理想種子激光。其次，基于搭建的耗散孤子諧振鎖模全光纖振蕩器，分別設計了非保偏與保偏光纖放大器，先后實現(xiàn)了240W/36kW和174W/38.5kW

5、的高平均/峰值功率非線偏振和線偏振納秒方波脈沖輸出。最后，實驗研究了類噪聲脈沖全光纖振蕩器，并且國際上首次對其進行了高功率放大，實現(xiàn)了423W/314kW的高平均/峰值功率的皮秒脈沖輸出。
　　二、從理論與實驗兩個方面，系統(tǒng)研究了全光纖線偏振飛秒CPA系統(tǒng)。首先，分析了全光纖飛秒CPA系統(tǒng)設計在信號光參數(shù)選取、脈沖展寬器、光纖放大器以及脈沖壓縮器等方面的問題，指出基于高摻雜大模場雙包層摻鐿光纖建立全光纖結構的飛秒CPA系統(tǒng)是實現(xiàn)飛

6、秒光纖激光平均功率提升的一條切實可行的途徑。其次，建立了飛秒光纖CPA系統(tǒng)簡潔的解析理論模型，理論分析表明正群延遲色散和三階色散可以與非線性相移相互補償，利用這一效應可以一定程度上突破B積分的限制，實現(xiàn)更高功率的飛秒光纖激光輸出。最后，分別搭建了基于單模光纖和啁啾光纖布拉格光柵展寬的全光纖線偏振飛秒非線性CPA系統(tǒng)，應用色散與非線性相移的相互補償效應，分別實現(xiàn)了平均功率119W/300W、脈寬352fs/344fs、峰值功率4.2MW/

7、11MW的高平均功率、線偏振（消光比優(yōu)于13dB）、近衍射極限（M2<1.3）的飛秒激光輸出，為國際上已報道的最高平均功率的線偏振飛秒光纖CPA系統(tǒng)。
　　三、建立了飛秒光纖激光相干偏振合成系統(tǒng)合成效率的解析理論模型，著重分析了時域及頻域因素對系統(tǒng)合成效率的影響，首次給出了對應不同時域及頻域因素的解析表達式。理論分析表明光程差是影響系統(tǒng)合成效率最為明顯的因素，當飛秒脈沖中心波長?0為1064nm、3dB光譜寬度為13nm時，約14

8、?0的光程差引起系統(tǒng)合成效率下降5％；當各路功率一致時，自相位調制效應的影響與光譜寬度無關，僅依賴于B積分差?B的值，當?B達到0.6弧度時，系統(tǒng)合成效率下降5%；當3dB光譜寬度有限時，群延遲色散對系統(tǒng)合成效率的影響相對較小，對于0?為1064nm、3dB光譜寬度為13nm的飛秒脈沖，光纖長度失配0.2m所引入的群延遲色散失配導致系統(tǒng)合成效率下降2%?；诶碚摲治觯状翁岢隽硕鄬蛹壍娜饫w光程差主動控制方法，分析了不同的鎖相技術，闡述

9、了光譜相位的控制策略。
　　四、設計并實現(xiàn)了全光纖光程差自適應控制系統(tǒng)，實驗驗證了系統(tǒng)的性能，結果表明系統(tǒng)可以完全補償±60?0內的光程差漂移，達到了設計要求。搭建了兩路10瓦級飛秒光纖激光相干偏振合成系統(tǒng)，采用理論與實驗相結合的方法，研究了時域及頻域因素對系統(tǒng)合成效率的影響，理論與實驗結果吻合較好，驗證了理論模型的正確性。基于有效的系統(tǒng)主動控制和優(yōu)化策略，實現(xiàn)了兩路10瓦級的飛秒光纖激光相干偏振合成，系統(tǒng)合成效率為96%，合成飛

10、秒脈沖脈寬為467fs。搭建了兩路高功率飛秒光纖激光相干偏振合成系統(tǒng)，合成光束平均功率達到313W，合成飛秒脈沖脈寬為827fs，為當前國際上全光纖結構飛秒光纖激光相干合成系統(tǒng)輸出的最高平均功率。盡管由于激光模式惡化，系統(tǒng)合成效率僅為79%，但是進一步提高單路性能，該系統(tǒng)仍具有很大的功率提升潛力。
　　論文通過系統(tǒng)的理論與實驗研究，充分認識了飛秒光纖激光相干合成中的新問題，在光程差控制技術方面有新突破，填補了全光纖結構飛秒光纖激光