高功率、高脉冲质量全光纤飞秒激光放大系统的研究

保偏大模场双包层掺镱光纤具有较大的芯径、优良的偏振保持特性、易与其他光纤实现低损熔接等优点,是实现飞秒激光放大器全光纤化的理想增益介质。光纤啁啾脉冲放大技术在保证系统全光纤化的同时,可以进一步提升光纤放大器输出的平均功率。本论文旨在搭建高功率、高脉冲质量、稳定性良好的全光纤飞秒激光放大系统,利用掺镱保偏大模场双包层光纤作为增益介质,针对光纤啁啾脉冲放大技术中的三阶色散补偿问题进行了数值和实验研究,实现了系统的三阶色散匹配,有效地提升了输出脉冲质量。同时本论文围绕光纤飞秒激光放大系统的关键技术和工艺进行了研究,提出并验证了相关问题的解决方案,保证了系统的高功率稳定运转,实现了激光系统的样机化。本论文主要工作概括如下:一、基于非线性薛定谔方程和速率方程,建立脉冲啁啾放大过程数值模型;利用分步傅立叶方法求解数值模型,分析了FCPA系统中三阶色散的积累对输出脉冲形状的影响,并证明了采用混合展宽器可以有效提高输出脉冲质量。二、实验中基于光纤啁啾脉冲放大技术,研究不同三阶色散对于输出脉冲形状的影响,利用负三阶色散光纤对系统三阶色散进行补偿,使得优化后系统内部的三阶色散量趋近于零,最终获得了重复频率为111 MHz,中心波长为1035nm,去啁啾后脉冲宽度为217 fs,放大后输出平均功率为8.5 W的高脉冲质量飞秒激光输出。三、研究了高功率光纤飞秒激光放大器的关键技术和工艺,包括端帽设计,关键点熔接技术;优化热管理方案,解决激光放大器工作时热累积问题,提高系统稳定性,实现激光系统样机化。