高功率激光器前端系統(tǒng)關(guān)鍵物理問題與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、本論文是在國家重大專項和國家自然科學基金《寬帶摻鐿光纖放大器噪聲特性研究》的研究背景下進行的。 作為我國目前功率最高、能量最大、最先進的激光驅(qū)動器的前端，其主要設(shè)計功能是為后續(xù)系統(tǒng)提供數(shù)個已初步整形并具有一定能量(mJ)、一定帶寬、高信噪比和高光束質(zhì)量的激光脈沖。目前圍繞主要技術(shù)一脈沖整形，存在堆積整形和單頻連續(xù)激光調(diào)制整形兩套技術(shù)方案。作為一種新型的前端系統(tǒng)，對高功率激光器前端系統(tǒng)關(guān)鍵物理問題進行研究和計算機模擬可以為前端系統(tǒng)

2、的研制提供重要的指導意見。同時可以結(jié)合本實驗室長期從事光纖器件研究的優(yōu)勢，為前端系統(tǒng)提供穩(wěn)定振蕩器等關(guān)鍵器件作為種子光源。本文的主要成果有： 1.前端系統(tǒng)要求有很好的激光脈沖整形能力，本文對正式前端的脈沖堆積整形技術(shù)進行分析，建立脈沖堆積整形的理論模型，提出使用延時一位相選擇區(qū)間的方法對堆積平滑效果進行研究，通過理論模擬分析不同路數(shù)堆積平滑區(qū)間的變化，建議堆積中各路延遲應(yīng)選擇在一倍脈沖半高全寬左右，該結(jié)論已經(jīng)應(yīng)用于前端系統(tǒng)的建設(shè)

3、之中并取得良好效果。啁啾脈沖堆積減小了對光程控制的要求，而且脈沖具有掃頻特性，給光譜束勻滑(SSD)技術(shù)的實現(xiàn)帶來極大的便利，是一種比較優(yōu)秀的脈沖堆積技術(shù)方案。本文深入研究了相干和非相干堆積中延時誤差對堆積效果的影響，提出通過選擇特定堆積子脈沖形狀減小堆積脈沖起伏對延時誤差敏感性的方案。 提出采用法拉第鏡來進行補償脈沖堆積過程中各路光的偏振差異的方案，通過瓊斯矩陣法對脈沖延遲傳輸過程進行計算，并且在實驗上驗證了計算結(jié)果。

4、 2.前端系統(tǒng)需要對脈沖在各個子系統(tǒng)中產(chǎn)生傳輸行為進行詳細了解，文章分析了脈沖在光路中傳輸?shù)男袨?，研究了脈沖啁啾和寬度經(jīng)過濾波及長距離傳輸?shù)淖兓闆r，分析了這種變化會對堆積脈沖產(chǎn)生的影響。通過理論分析得到了堆積后內(nèi)部細節(jié)起伏和啁啾量的關(guān)系，證明了現(xiàn)有的啁啾脈沖堆積技術(shù)方案中由各個子脈沖啁啾造成的整形脈沖細節(jié)起伏其間隔小于10 ps，而應(yīng)用對這種很快的脈沖起伏并不敏感。同時結(jié)合幾種非線性效應(yīng)(受激布里淵散射、受激拉曼散射、四波混頻、自相位

5、調(diào)制等)的產(chǎn)生機理，使用實際參數(shù)計算閾值，并且提出使用啁啾脈沖放大或光子晶體放大器避免這些非線性效應(yīng)的方案。 3.在激光驅(qū)動器前端系統(tǒng)中，需要穩(wěn)定高能的1053 nm超短脈沖作為堆積子脈沖，進行基于半導體可飽和吸收體(SESAM)鎖模激光器的實驗，這種高穩(wěn)定性、具有50MHz高重復頻率、高能量、低噪聲、特定中心波長超短脈沖激光器已經(jīng)投入前端作為種子源之用。在后續(xù)的實驗中，還以其為源研究了啁啾脈沖放大器，即用啁啾光纖光柵對超短脈沖

6、先展寬放大再壓縮，不僅能較好避免峰值功率過大帶來的非線性效應(yīng)，還能獲得最大有效能量提取的能量密度。在該放大系統(tǒng)中研究了鎖模激光通過啁啾放大后光譜和放大特性的改變情況。 同時，研制了基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)效應(yīng)的被動鎖模摻鐿激光器，結(jié)合摻鐿光纖增益譜寬的特點，通過優(yōu)化腔結(jié)構(gòu)，得到了一種超寬帶鎖模激光器，3-dB光譜寬度超過80 nm，光譜范圍超過200 nm。據(jù)所知，它具有同類激光器中最寬的光譜。該激光經(jīng)過腔外壓縮預計可以產(chǎn)生

7、幾十fs量級的超短脈沖序列。 4.對對單頻激光調(diào)制濾波整形方案中出現(xiàn)的脈沖頂部起伏，提出濾波導致高頻分量缺失是產(chǎn)生脈沖頂部高頻起伏的根本原因，而濾波中心波長偏離激光中心波長導致在實驗上觀察到明顯的起伏。通過數(shù)值模擬給出了不同濾波波形對脈沖高頻起伏的影響，并給出濾波帶寬、中心波長偏差和頂部起伏大小的關(guān)系，提出減小起伏的優(yōu)化方法。在該備用前端系統(tǒng)中，需要穩(wěn)定、低噪聲的連續(xù)光激光器作為光源。本文利用自行刻寫的分布反饋布拉格光柵，研制了

8、相移單頻光纖激光器，具有線寬窄、信噪比、功率穩(wěn)定性高等特點，它的光譜信噪比超過70 dB，能量達到10 mW以上，非常適合作為備用前端系統(tǒng)的種子光源。 5.結(jié)合高穩(wěn)定性1.0 μm鎖模激光器的研制，對三種通訊波段的SESAM鎖模激光器進行研究。這三種激光器都采用FP腔結(jié)構(gòu)，SESAM作為鎖模元件和一個腔鏡，另一個腔鏡分別為帶寬0.2 nm左右的FBG、線性采樣啁啾光纖光柵和光纖環(huán)鏡。其功能各描述如下：一為研究諧波鎖模和調(diào)Q鎖模機

9、理，以避免其發(fā)生；其二為同時使用采樣啁啾光柵達到改變腔內(nèi)色散和產(chǎn)生多波長鎖模目的；最后一種激光器通過控制，光纖環(huán)鏡中偏振控制器的狀態(tài)來改變激光器工作波長，實現(xiàn)波長可調(diào)的寬帶鎖模激光輸出。這三種激光器的研制成功對研究SESAM被動鎖模激光器中重要物理現(xiàn)象成因、密集波分復用、超連續(xù)光的產(chǎn)生等方面有積極重要意義。 通過前端系統(tǒng)的實驗結(jié)果表明本文理論分析正確，能夠很好地指導實驗工作。本文中研制的光纖激光器件，已經(jīng)很好應(yīng)用于前端系統(tǒng)，充分

10、滿足前端的需求。本文創(chuàng)新點： 1.分別基于SESAM和NPR效應(yīng)研制被動鎖模激光器，通過引腔型優(yōu)化，得到脈沖穩(wěn)定、光譜平坦的鎖模脈沖序列。其中基于SESAM的鎖模激光器具有高穩(wěn)定性、高重復頻率的特點，可以滿足高功率激光前端系統(tǒng)對種子源的要求，也可作為CPA系統(tǒng)的振蕩器。基于NPR效應(yīng)的鎖模激光器，據(jù)所知，具有同類激光器中最寬的光譜。同時將SESAM鎖模技術(shù)擴展到通訊波段，使用簡單結(jié)構(gòu)研制了多波長鎖模激光器和波長可變鎖模激光器。