高功率全光纤近红外超连续谱光源的研究

超连续谱光源由于光谱范围宽、相干性能好等优点，在光谱学、光纤通信、光学相干层析以及计量学等领域有着广泛而重要的应用。近年来，随着高亮度半导体激光泵浦技术的发展以及光纤拉制工艺水平的提高，高功率超连续谱光源逐渐成为国际上的研究热点，输出功率水平更高、光谱范围更宽、光谱平坦度更好将成为超连续谱光源未来发展的方向。论文对高功率全光纤近红外超连续谱光源展开了理论与实验研究，主要包括以下几个方面的内容： 1.打破了“激光器泵浦高非线性光纤产生超连续谱”的传统方法，创造性的提出基于大模场面积双包层增益光纤实现高功率超连续谱的方案。对高功率全光纤近红外超连续谱光源进行分析与设计，从激光器与光子晶体光纤(PCF)之间的耦合、PCF纤芯直径以及半导体泵浦光-超连续谱的转换效率等三个方面出发讨论了进一步提高PCF输出超连续谱功率水平的限制因素；从光纤放大器输出超连续谱的基本原理和优势两个方面出发论证了光纤放大器输出高功率超连续谱的可行性，并提出了实现百瓦级全光纤近红外超连续谱光源的具体技术方案。 2.对光纤放大器输出近红外超连续谱展开数值模拟方面的研究，并对光纤放大器输出近红外超连续谱的功率极限进行了分析与估算。首先，确定了描述超连续谱在光纤放大器中形成与传输的理论模型-广义金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)方程。然后，基于该模型分析了光纤放大器的增益谱形状、小信号增益、增益光纤长度以及入射脉冲宽度和脉冲初始啁啾等因素对脉冲光谱展宽的影响。最后，依次分析了增益光纤热管理、非线性效应、光纤输出端面损伤、半导体泵浦源的输出功率极限以及光纤合束器的功率承受能力、增益光纤损伤等因素对光纤放大器输出超连续谱功率极限的影响。 3.开展了高泵浦功率下抑制光纤放大器中非线性效应的实验研究，成功研制出输出平均功率为157W的全光纤皮秒脉冲激光器。首先针对半导体可饱和吸收镜(SESAM)现有两种封装形式的缺点自主研制了SESAM的全光纤化封装并进行了可行性验证实验。然后基于线形腔和环形腔分别搭建了皮秒和纳秒种子源，并在纳秒种子源的基础上通过窄化光谱的方法实现了纳秒脉冲初始啁啾的有效控制。最后，通过采用自主研制的重复频率倍增系统以及缩短所用增益光纤长度的方法实现了光纤放大器中非线性效应的有效抑制，成功研制出输出平均功率为157W的全光纤皮秒脉冲激光器，输出功率为当时公开报道文献中同类全光纤皮秒激光器的最高水平。 4.成功研制出百瓦级高平均功率、高效率的全光纤近红外超连续谱光源。通过解决在提高输出近红外超连续谱光源平均功率过程中遇到的自发辐射以及增益光纤损伤等一系列问题，在窄线宽纳秒脉冲种子源的基础上，基于主振荡功率放大结构(MOPA)相继研制出输出平均功率为70W和177.6W的全光纤近红外超连续谱光源。《Laser Focus World China》两次进行连续报道，评价为“国际领先”；其中177.6W的全光纤超连续谱光源对应的光谱范围覆盖1064~2000nm，10dB光谱宽度约为740nm，976nm半导体泵浦光-超连续谱的转换效率为56%，整个光谱范围内的平均功率谱密度大于150mW/nm，是目前公开报道的最高功率水平，并且该成果成功入选“2012中国光学重要成果”。