超短激光脉冲压缩与展宽的关键技术研究

在色散理论的基础上，结合我们的实际实验系统对色散补偿的要求，从理 论上分析了光纤色散补偿机理及高阶色散的产生以及补偿方法。重点研究了光栅
对色散补偿法，对压缩器的基本结构、工作原理、相关参数和现实可行性等分别 作了理论分析和研究，并进行了数值模拟与计算。
在实验上，进行了环形腔的外腔压缩和八字形腔的腔内色散补偿的实验研 究。对没有经过色散补偿的光纤激光器振荡器输出４６ｐｓ的激光脉冲，采用，得到了最短３０７ｆｓ、 重复频率２５．５ＭＨｚ的锁模激光脉冲；在压缩器光栅对之间距离为３．ｉｃｍ时八字形 腔的腔内压缩最终输出最短１８０ｆｓ、重复频率２４ＭＨｚ的锁模激光脉冲。实验结果 和理论分析基本一致。
了明确的注释和致谢。与我一同：Ｊ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文
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关键词：
掺镱光纤激光器；啁啾：光学参量啁啾脉冲放大 利特洛角，脉冲展宽，欧浮纳展宽器
摘
要
Ａｂｓ ｔｒａｃｔ
Ｆｉ ｂｅｒ ａｓ ａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅｄｌｕｍ ｈａｓ ｔｗｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉ ｓｔｉＣＳ ａｂｏｕｔ ｉｔＳ ｔｒａｎｓｍｉＳＳｉｏｎ：ｏｎｅ ｉＳ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ １０ＳＳ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｉ Ｓ ｆｉｂｅｒ’Ｓ ｄｉ ｓｐｅｒｓｉｏｎ． Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌ ｅｍ ｏｆ ｆｉｂｅｒ’Ｓ １ ｏｓｓｅｓ ｉ Ｓ ｒｅｓｏｌ ｖｅｄ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ Ｙｂ”一ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｙｂ”一ｄｏｐｅｄ ｕ］ｔｒａｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｊ ｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉＣＳ ａｆｉ’ｅｃｔｉｏｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃｓ ａｆｆｅｃｔｉｏｎ．Ｄｉ ｓｐｅｒｓｉｏｎ ｂｅｃａｍｅ ａ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄ ｉｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｃａｎ ｂｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｒ ｎｏｔ ｉｎ ｆｉｈｅｒ １ａｓｅｒ．Ｓｏ，ｉｔ ｉ Ｓ ｂｅｃｏｍｅｓ ａ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｑｕｅｓｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｈｏｗ ｔｏ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｔｈｅ ｄｉ ｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｄｉｓｐｅｒｓｉＯｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｄｉ ｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｂａｓｉＣ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｊｏｎ ｉｎ Ｙｂ。’～ｄｏｐｅｄ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｐｕｌ ｓｅ ｆｉｂｅｒ １ａｓｅｒ ｉ Ｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌＹ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｍｉｌｉａｒ ｗａｙｓ ａｂｏｕｔ ｄｉ ｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉ Ｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
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Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉＳ ｏｆ ｄｉ ｓｐｅｒｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｏｕｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｄｉ ｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈｅｒ—ｏｒｄｅｒ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｔ’Ｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ， Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｉｓ ｄｉ ｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｏｕｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ， ｒｅ］ａｔｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｅｔｃ．ａｒｅ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｙｈ”－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ，ｃｈｉｒｐｅｄ—ｐｕｌｓｅ Ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｃｈｉｒｐｅｄ—ｐｕ］ｓｅ ａｍｐ］ｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｌｉｔｔｒｏｗ ａｎｇｌｅ，Ｐｕｌｓｅ—ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ，Ｏｆｆｎｅｒ—ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ
４
第一章 绪论
第一章绪论
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｆｉｓｕｒｅ‘“ｏｆ——ｌｏｏｐ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｉｓ ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｙ ａｎｄ ｆｉｇｕｒｅ’—ｏｆ——ｅｉｇｈｔ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｖｉｔｙ ｉ ｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉ ｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗｈｉｃｈ ｉ ｓ ｐｌａｃｅｄ ２８．６ｃｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｉｎ Ｙｂ”一ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ，ｗｅ ａｃｈｉ ｅｖｅｄ ｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ １８０ｉｓ ａｎｄ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ２４ＭＨｚ，ｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ ３０７ｉｓ ａｎｄ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ２５．５＾＿ｔＨｚ ｍｏｄｅ—ｌｏｃｋｅｄ ｐｕｌｓｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ
１．１超短脉冲的发展和应用
激光自出现以来～直朝着提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固 态化、小型化的方向发展。目前，它已经深入到国民经济、国防建设和人们日常 生活的大多数领域，成为人们认识世界、改造世界、保卫国家、提高生活质量的 有力工具。超短超强光脉冲的产生，不仅提供了探索自然界奥秘的重要手段，同 时也把光与物质相互作用带到了前所未有的领域。
Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ ｗｉｔｈ ｂｉｇｇｅｒ ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｒａｔ Ｊｏ ｉ ｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ＯＰＣＰＡ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ Ｏｆｆｎｅｒ ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ ｉ ｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｎｕｍｅｒ Ｊｃａｌｌｙ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｍａｔｌａｂ ａｓｓｉ ｓｔａｎｔｅｄ ｐｒｏｇｒａｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒａｙ—ｔｒａｃｉｎｇ，ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｇｒａｐｈ ａｂｏｕｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｒｅ］ａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｃａｐａｂｉ ｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ ｉｓ ｇａｉｎｅｄ． Ａｎａｌｙｓｉｎｇ ａｎｄ ｄｉ ＳＣＵＳＳｉｎｇ ｔｈａｔ ｈｏｗ ｔｈｅｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍ Ｊ ｚｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ＯＰＣＰＡ ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ｓｔｒｅｔｃｈ ３０ｆｓ ｐｕｌｓｅ ｔｏ ９００ｐｓ．
对大展宽比展宽器进行了理论分析和研究。在光线追迹法的基础上，数字模 拟了ＯＰＣＰＡ系统中展宽器。并结合我们的ＯＰＣＰＡ系统对展宽能力的要求，优化设 计了展宽因子上万倍的展宽器，给出了５ｆｆｎｅｒ型展宽器的原理和设计，用Ｍａｔ］ａｂ 辅助程序进行了模拟计算，得到了影响展宽器性能的参数的直观图形，并对这些 参数如何影响展宽器的性能进行了分析讨论，最后给出了用于ＯＰＣＰＡ展宽器的优 化设计参数。
３
ｏｕｔｐｕｔ ｉｎ ｆｉｇｕｒｅ—ｏｆ—ｅｉｇｈｔ ｆ Ｊｂｅｒ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｊ ｎ ｆｉｇｕｒｅ—ｏｆ—ｌｏｏｐ ｏｎｅ ｗｈｅｎ ａ ｓｉｇｎａｌ ｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ ４６ｐｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｓ ＣＯｎＳｉ ｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅｏｒｙ ｂａｓｉｃａ］ｌＹ．
利用理论分析和设计的展宽器的系统参数，从实验上进行了演示验证。在输 入功率４３０ｍｗ、脉冲宽度３０ｆｓ、重复频率８０ＭＨｚ的锁模脉冲输入情况下，得到了
超短脉冲产生中色散基本问题的分析
输出４２ｍｗ、脉冲宽度５４５ｐｓ的展宽脉冲，并对这一实验结果和理论的差异进行 了分析和讨论。结果表明，理论分析和系统设计方法基本正确，本文对展宽器的 实验研究和实际应用具有重要的实际意义。
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摘
要
摘要
作为光信号传输介质的光纤，其传输特性主要有两点：一是光纤的损耗，另 一是光纤的色散。掺镱超短脉冲光纤激光器中，采取增加掺镱光纤放大器的办法， 基本上解决了光纤损耗的问题。与此同时，色散的积累、非线性光学效应的影响， 又促使人们加快对色散补偿技术和非线性光学效应的研究。色散成为制约光纤激 光器系统能否产生超短脉冲和得到理想带宽的重要因素。因此，如何解决光纤激 光系统中色散平衡问题就成了超短脉冲产生研究的一个焦点。本文论述了掺镱超 短脉冲光纤激光器产生中色散补偿理论和实验研究，超短脉冲产生中光纤色散补 偿的重要性及色散的基本概念、色散产生的原因和色散的表示方法，阐述了光纤 色散补偿机理和常见色散补偿方法。