内容简介
高功率脉冲光纤激光器一直以来就是国内外激光技术领域研究的热点之一，近年来得到了快速发展与广泛应用。《高功率脉冲光纤激光器》内容丰富、深入浅出，针对几种类型的高功率脉冲光纤激光器，从基础理论到激光器实例再到拓展应用，分层次进行了介绍与论述，专业性与可读性兼备。主要内容包括脉冲光纤激光技术及关键器件、纳秒脉冲光纤激光器、超短脉冲(皮秒/飞秒)光纤激光器与中红外脉冲光纤激光器。
精彩书摘
第1章 绪论
高功率脉冲光纤激光器作为一种重要的应用光源，与传统的固体激光器相比，具有更高的电光转换效率、更高的光束质量、更好的稳定性和更高的功重比等优势，在激光加工、生物医学、军事国防和前沿科学等众多领域具有重要的应用价值。随着光纤关键器件及技术的突破，脉冲光纤激光技术发展日新月异，在时域上由纳秒脉冲向超短脉冲方向快速发展，在频域上进一步向窄线宽和宽光谱等方向极大拓展。
纳秒脉冲光纤激光技术是激光领域的一个重要发展方向，除了具有光纤激光器本身的电光转换效率高、增益带宽宽、光束质量高、稳定性好、体积小等优点，还具有脉冲宽度、重复频率及输出波段灵活可控等*特优势。随着纳秒脉冲光纤激光的功率、能量、效率及稳定性等性能不断攀升，其在激光加工、激光雷达、军事国防、医疗卫生等领域具有广阔的应用前景。通常在主振荡器后采用腔外调制技术实现纳秒脉冲光纤激光输出，该方法灵活简便，能够获得脉冲形状、脉冲宽度和重复频率可控的纳秒激光脉冲。单一振荡器结构受限于泵浦耦合效率低、调制损耗大、非线性阈值低等因素，难以实现高功率或大能量的纳秒脉冲光纤激光输出，而主振荡功率放大(master oscillator power amplification，MOPA)结构是提升能量/功率的有效手段。随着超大模场光纤(百微米芯径)、光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)的出现及相应器件承受功率的提升，纳秒脉冲光纤激光放大器目前已经实现了百毫焦量级的单脉冲能量、千瓦量级的平均功率和兆瓦量级的峰值功率。然而，在进一步放大的过程中，受限于光纤中极强的非线性效应(受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)等)，在高功率下会产生新频率的激光和反向激光脉冲，造成脉冲质量下降、转换效率降低甚至损伤等问题。另外，放大过程中产生的自发辐射光放大成分也会对放大器的信噪比、增益和稳定性造成影响。针对以上问题，在纳秒脉冲光纤激光光源中，发展光纤固体结合方式，以光纤级联放大器作为前端，利用光纤结构的小信号放大能力，通过固体放大器作为后端有效避免了光纤中的非线性效应，从而大幅度提升纳秒激光的单脉冲能量。除此之外，设计与制备新型增益光纤等器件、通过光纤激光同带泵浦方式减小量子亏损、通过相干合成技术提高激光功率等技术手段也会在提升纳秒脉冲光纤激光性能方面体现重要价值，并成为纳秒脉冲光纤激光发展的新趋势，从而使纳秒脉冲光纤激光在现代军事国防、工业、医疗等领域发挥出更大的作用。
高功率高能量超快激光技术的发展与应用成为当前国际上*为活跃的科学前沿研究领域之一。自20世纪80年代以来，随着锁模理论的发展和实验验证以及大模场双包层光纤和光子晶体光纤制作工艺的完善，同时结合啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification，CPA)技术，显著促进了高功率高能量超短脉冲光纤激光的研究进展。包层泵浦思想的提出，以及大芯径双包层光纤、光子晶体光纤和棒状光纤的研制成功使得高功率的多模泵浦激光高效率地转换为单模纤芯模式，激光输出功率或者能量都得到有效提高。光纤激光器的迅猛发展打破了气体和固体激光器的长期垄断，以光纤作为增益介质的激光器除了性能可靠稳定，还弥补了固态、薄片和板条激光器在散热性、增益和光束质量上的严重缺陷，成为超快激光领域的研究热点。相比于其他稀有元素掺杂的增益光纤，由于较低的量子缺陷和高的光光转换效率，Yb掺杂的增益光纤是*有潜力的实现高功率激光运转的一种增益介质。尽管光纤激光器具有诸多优势，但是其较小的模场面积和激光脉冲需在其中传输较长的距离，即使对于峰值功率较低的激光脉冲，其在传输过程中都会累积大量的非线性相位，导致压缩后的脉冲质量变差，因此使得其在实际的超短脉冲激光领域中对功率、能量和脉冲宽度等激光参数的进一步扩展受到阻碍。对于光纤中非线性效应的产生，考虑到光纤的各向同性和轴对称等特征，其主要起源于三阶极化率χ(3)，主要包括自相位调制(self-phase modulation，SPM)、参量过程和受激非弹性散射等过程。因此，在光纤激光系统中若对功率和能量做进一步扩展，为了尽可能减少非线性相位累积，目前常用的方法主要是基于脉冲时域展宽和空域增大纤芯有效横截面积两种方法。时域展宽主要是基于成熟的CPA技术，即将待放大的种子源脉冲在时域上尽可能扩展以降低其峰值功率，从而降低其在放大过程中引入的非线性相位，*后通过反常色散的压缩元件将其进一步压缩获得高功率和高能量的超短脉冲激光输出。光纤放大中CPA技术需要比较大的展宽量，目前受到展宽器件和压缩器技术限制，以及增益窄化、色散失配和非线性积累的影响，压缩后的脉冲宽度和脉冲质量有所牺牲。但是，非线性也可以被有效地利用，目前抛物线型脉冲放大(parabolic pulse amplification，PPA)技术、预啁啾管理放大(pre-chirp managed amplification，PCMA)技术及增益管理非线性放大(gain-managed nonl
目录
目录
序
前言
第1章 绪论 1
第2章 脉冲光纤激光技术及关键器件 5
2.1 脉冲光纤激光产生技术 5
2.1.1 腔外调制技术 5
2.1.2 光纤锁模技术 7
2.2 脉冲光纤激光放大技术 9
2.2.1 主振荡功率放大技术 9
2.2.2 啁啾脉冲放大技术 10
2.3 脉冲光纤激光关键器件 12
2.3.1 石英光纤 12
2.3.2 中红外光纤 12
2.3.3 光纤布拉格光栅 14
2.3.4 光纤合束器 21
参考文献 23
第3章 纳秒脉冲光纤激光器 25
3.1 概述 25
3.1.1 纳秒脉冲光纤激光概述 25
3.1.2 纳秒脉冲光纤激光研究现状 26
3.1.3 纳秒脉冲光纤激光面临的挑战 32
3.2 纳秒脉冲光纤激光产生 33
3.2.1 电光调制产生窄线宽纳秒脉冲光纤激光 33
3.2.2 声光调制产生窄线宽纳秒脉冲光纤激光 37
3.2.3 电光和声光同步调制产生窄线宽纳秒脉冲光纤激光 38
3.3 纳秒脉冲光纤激光放大器 41
3.3.1 纳秒脉冲光纤激光放大器理论研究 41
3.3.2 纳秒脉冲光纤激光放大器关键问题 47
3.3.3 纳秒脉冲光纤激光放大器输出特性 57
3.4 纳秒脉冲光纤激光器的应用 72
3.4.1 高功率纳秒脉冲光纤激光器在工业加工中的应用 72
3.4.2 单频脉冲光纤激光器在激光雷达中的应用 78
3.5 本章小节 83
参考文献 84
第4章 超短脉冲(皮秒/飞秒)光纤激光器 89
4.1 概述 89
4.1.1 超短脉冲光纤激光概述 89
4.1.2 超短脉冲光纤激光研究现状 90
4.1.3 超短脉冲光纤激光发展趋势及面临的挑战 99
4.2 超短脉冲锁模光纤激光振荡器 100
4.2.1 超短脉冲锁模光纤激光振荡器基本理论 100
4.2.2 NALM和SESAM锁模掺镱光纤激光振荡器 105
4.2.3 大模场掺镱光子晶体光纤混合锁模光纤激光振荡器 111
4.2.4 其他类锁模光纤激光振荡器 114
4.3 飞秒光纤激光啁啾脉冲放大技术 117
4.3.1 光纤激光放大器基本理论 117
4.3.2 基于CFBG展宽器的啁啾脉冲放大器 124
4.3.3 基于CVBG压缩器的啁啾脉冲放大器 132
4.3.4 其他波段飞秒光纤激光放大器 137
4.4 超短脉冲光纤激光相干合成 144
4.4.1 相干合成基本原理 144
4.4.2 超短脉冲光纤激光相干合成方法 145
4.4.3 超短脉冲光纤激光相干合成研究 152
4.5 超短脉冲光纤激光的应用 170
4.5.1 超短脉冲激光在国防领域的应用 170
4.5.2 超短脉冲激光在医学领域的应用 173
4.5.3 超短脉冲激光在工业领域的应用 178
4.5.4 超短脉冲激光在超快科学领域的应用 182
参考文献 188
第5章 中红外脉冲光纤激光器 196
5.1 概述 196
5.1.1 中红外脉冲光纤激光概述 196
5.1.2 中红外脉冲光纤激光研究现状 197
5.1.3 中红外脉冲光纤激光面临的挑战 199
5.2 中红外光纤简介 201
5.2.1 中红外光纤基质玻璃材料 201
5.2.2 中红外光纤种类及其特点 205
5.2.3 中红外光纤制备技术 207
5.3 中红外脉冲激光直接产生方法 213
5.3.1 Er3+和Ho3+等稀土离子的中红外光学特性 213
5.3.2 中红外Er3+:ZBLAN光纤激光器理论 219
5.3.3 中红外脉冲调制光纤激光器 234
5.4 基于非线性技术的中红外脉冲激光产生方法 244
5.4.1 非线性效应理论 244
5.4.2 基于受激拉曼散射效应的中红外纳秒脉冲激光 252
5.4.3 基于色散波的中红外皮秒脉冲激光 253
5.4.4 基于孤子自频移中红外飞秒脉冲激光 258
5.5 中红外超连续谱光纤激光器 263
5.5.1 超连续谱概述 263
5.5.2 高功率中红外超连续光源 264
5.5.3 宽光谱中红外超连续光源 267
5.5.4 高相干性中红外超连续光源 269
5.5.5 高平坦性中红外超连续光源 274
5.6 中红外脉冲光纤激光器的应用 276
参考文献 286
试读
第1章 绪论
高功率脉冲光纤激光器作为一种重要的应用光源，与传统的固体激光器相比，具有更高的电光转换效率、更高的光束质量、更好的稳定性和更高的功重比等优势，在激光加工、生物医学、军事国防和前沿科学等众多领域具有重要的应用价值。随着光纤关键器件及技术的突破，脉冲光纤激光技术发展日新月异，在时域上由纳秒脉冲向超短脉冲方向快速发展，在频域上进一步向窄线宽和宽光谱等方向极大拓展。
纳秒脉冲光纤激光技术是激光领域的一个重要发展方向，除了具有光纤激光器本身的电光转换效率高、增益带宽宽、光束质量高、稳定性好、体积小等优点，还具有脉冲宽度、重复频率及输出波段灵活可控等*特优势。随着纳秒脉冲光纤激光的功率、能量、效率及稳定性等性能不断攀升，其在激光加工、激光雷达、军事国防、医疗卫生等领域具有广阔的应用前景。通常在主振荡器后采用腔外调制技术实现纳秒脉冲光纤激光输出，该方法灵活简便，能够获得脉冲形状、脉冲宽度和重复频率可控的纳秒激光脉冲。单一振荡器结构受限于泵浦耦合效率低、调制损耗大、非线性阈值低等因素，难以实现高功率或大能量的纳秒脉冲光纤激光输出，而主振荡功率放大(master oscillator power amplification，MOPA)结构是提升能量/功率的有效手段。随着超大模场光纤(百微米芯径)、光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)的出现及相应器件承受功率的提升，纳秒脉冲光纤激光放大器目前已经实现了百毫焦量级的单脉冲能量、千瓦量级的平均功率和兆瓦量级的峰值功率。然而，在进一步放大的过程中，受限于光纤中极强的非线性效应(受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)等)，在高功率下会产生新频率的激光和反向激光脉冲，造成脉冲质量下降、转换效率降低甚至损伤等问题。另外，放大过程中产生的自发辐射光放大成分也会对放大器的信噪比、增益和稳定性造成影响。针对以上问题，在纳秒脉冲光纤激光光源中，发展光纤固体结合方式，以光纤级联放大器作为前端，利用光纤结构的小信号放大能力，通过固体放大器作为后端有效避免了光纤中的非线性效应，从而大幅度提升纳秒激光的单脉冲能量。除此之外，设计与制备新型增益光纤等器件、通过光纤激光同带泵浦方式减小量子亏损、通过相干合成技术提高激光功率等技术手段也会在提升纳秒脉冲光纤激光性能方面体现重要价值，并成为纳秒脉冲光纤激光发展的新趋势，从而使纳秒脉冲光纤激光在现代军事国防、工业、医疗等领域发挥出更大的作用。
高功率高能量超快激光技术的发展与应用成为当前国际上*为活跃的科学前沿研究领域之一。自20世纪80年代以来，随着锁模理论的发展和实验验证以及大模场双包层光纤和光子晶体光纤制作工艺的完善，同时结合啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification，CPA)技术，显著促进了高功率高能量超短脉冲光纤激光的研究进展。包层泵浦思想的提出，以及大芯径双包层光纤、光子晶体光纤和棒状光纤的研制成功使得高功率的多模泵浦激光高效率地转换为单模纤芯模式，激光输出功率或者能量都得到有效提高。光纤激光器的迅猛发展打破了气体和固体激光器的长期垄断，以光纤作为增益介质的激光器除了性能可靠稳定，还弥补了固态、薄片和板条激光器在散热性、增益和光束质量上的严重缺陷，成为超快激光领域的研究热点。相比于其他稀有元素掺杂的增益光纤，由于较低的量子缺陷和高的光光转换效率，Yb掺杂的增益光纤是*有潜力的实现高功率激光运转的一种增益介质。尽管光纤激光器具有诸多优势，但是其较小的模场面积和激光脉冲需在其中传输较长的距离，即使对于峰值功率较低的激光脉冲，其在传输过程中都会累积大量的非线性相位，导致压缩后的脉冲质量变差，因此使得其在实际的超短脉冲激光领域中对功率、能量和脉冲宽度等激光参数的进一步扩展受到阻碍。对于光纤中非线性效应的产生，考虑到光纤的各向同性和轴对称等特征，其主要起源于三阶极化率χ(3)，主要包括自相位调制(self-phase modulation，SPM)、参量过程和受激非弹性散射等过程。因此，在光纤激光系统中若对功率和能量做进一步扩展，为了尽可能减少非线性相位累积，目前常用的方法主要是基于脉冲时域展宽和空域增大纤芯有效横截面积两种方法。时域展宽主要是基于成熟的CPA技术，即将待放大的种子源脉冲在时域上尽可能扩展以降低其峰值功率，从而降低其在放大过程中引入的非线性相位，*后通过反常色散的压缩元件将其进一步压缩获得高功率和高能量的超短脉冲激光输出。光纤放大中CPA技术需要比较大的展宽量，目前受到展宽器件和压缩器技术限制，以及增益窄化、色散失配和非线性积累的影响，压缩后的脉冲宽度和脉冲质量有所牺牲。但是，非线性也可以被有效地利用，目前抛物线型脉冲放大(parabolic pulse amplification，PPA)技术、预啁啾管理放大(pre-chirp managed amplification，PCMA)技术及增益管理非线性放大(gain-managed nonl
