高平均功率飞秒光纤光学频率梳产生及其噪声特性的研究

高平均功率飞秒光纤光学频率梳产生及其噪声特性的研究

基于飞秒锁模激光脉冲和高功率光纤放大技术发展的高功率光纤光学频率梳有望替代钛宝石光学频率梳,在精密光谱测量、时间频率计量和阿秒超快光学等领域具有重要的应用。目前,高功率光纤光学频率梳的发展急需突破以下技术瓶颈:研究稳定的新型光纤锁模技术,降低激光脉冲的噪声,提升激光光源的稳定性;探索光纤超短脉冲放大的新技术,突破增益窄化、非线性效应和模式不稳定等限制,降低脉冲放大过程中非线性累积的相位噪声和强度噪声;发展高功率飞秒激光脉冲时频域控制技术,实现更高平均功率的光纤光学频率梳。本论文以高平均功率飞秒光纤光学频率梳产生技术和噪声抑制为主题展开研究。研究了光纤锁模技术和腔内噪声抑制技术,获得了超低噪声高重复频率飞秒激光脉冲;选用高增益大模场掺镱光纤,分别实现了超短脉冲激光的啁啾脉冲光纤放大和自相似脉冲光纤放大,抑制了飞秒激光脉冲高功率放大过程中引入的附加噪声;研制了高功率飞秒激光脉冲的时-频域控制系统,实现了两台低噪声高功率的飞秒光纤光学频率梳。

本论文具体研究内容和创新点概括如下:1.研制了基于非线性偏振旋转锁模的超低噪声的集成化光纤激光器。通过合理设计腔型结构,结合腔内色散管理和泵浦优化,获得了脉冲宽度50fs,光谱宽度50nm超短激光脉冲,激光脉冲重复频率提升到500MHz。采用谐波锁模技术,获得重复频率为1GHz的稳定的谐波锁模脉冲输出;综合抑制泵浦噪声、色散噪声和环境噪声,实验中大幅度地降低了激光种子源的相位和强度噪声,获得了1Hz-10MHz内累计相位噪声和累计强度噪声仅为1.6mrad和0.085%的超低噪声飞秒激光脉冲,是目前文献报道的最低自由运转噪声的1GHz光纤飞秒锁模激光器。2.通过理论计算和实验研究,深入研究了高功率啁啾脉冲光纤放大器中脉冲时频域演化过程。

计算模拟了脉冲展宽、增益窄化、自相位调制以及受激拉曼散射等过程对啁啾脉冲光纤放大器输出脉冲的影响,优化了放大噪声抑制技术,设计了高功率棱栅高阶色散压缩器,发展了高平均功率低噪声啁啾脉冲光纤放大技术,获得了250MHz,132W,180fs的高平均功率的傅里叶变换极限脉冲。为了进一步压缩高功率光学频率梳的脉冲宽度,发展了高平均功率低噪声自相似脉冲光纤放大技术,输出光谱在非线性放大过程中得到展宽,获得了覆盖1000-1100nm的脉冲输出光

谱,克服了增益窄化效应对压缩后脉冲宽度的制约,将平均功率为109W的放大脉冲的时间宽度压缩至42fs,是目前报道的高重复频率、百瓦量级飞秒脉冲非线性放大获得的最短脉冲宽度。3.研制了高功率飞秒脉冲时频域控制系统,实现了高平均功率飞秒脉冲的重复频率f_r和载波包络相位偏移频率

f₀的锁定控制。利用低噪声探测和锁相环技术,实现了自相似光纤放大脉冲的f_r和f₀锁定,锁定的f_r和

f₀频率标准差仅1.32和0.94mHz,长时稳定性为8.6×

10^-13和9.7×10^-13,获得了109W,42fs高功率宽波段光纤光频梳,首次实现了基于自相似脉冲放大的高功率光频梳。

4.开展了基于高功率近红外飞秒脉冲的非线性频谱拓展实验研究。基于自相似脉冲放大产生的宽光谱飞秒光学频率梳,利用非线性二倍频系统,实现了平均功率近9W的505-555nm可调谐光频梳输出;利用非线性四倍频系统,实现了平均功率1W以上的253.6-27

5.0nm可调谐紫外光频梳输出。