内容简介
皮秒光纤激光技术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。《皮秒光纤激光技术》内容丰富、深入浅出，从皮秒光纤激光的关键器件、理论分析、拓展研究与技术应用等不同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：皮秒光纤激光关键器件，皮秒光纤激光产生、放大、展宽与压缩理论及实例，基于皮秒光纤激光的超连续谱产生和超短脉冲光纤激光相干合成，以及皮秒光纤激光技术的应用等。
精彩书摘
第1章 绪论
1.1 皮秒光纤激光概念及特点
超短脉冲激光（10–15～10–12s）技术作为激光技术的一个重要分支，自20世纪70年代诞生起便迅速成为光学领域*前沿的研究方向之一。超短脉冲激光为人类探索和研究超快现象以及创造极端物理条件提供了有力的工具，为光学特别是非线性光学开辟了新的研究领域，并促成了许多交叉领域的发展。与传统的固体激光器、气体激光器相比，超短脉冲光纤激光器具有电光转换效率高、光束质量好、系统简单小巧、可实现全纤化、抗干扰能力强等优点。同时，皮秒脉冲光纤激光器（10–12s）与长脉冲激光器（10–9～10–6s）相比，具有更窄的脉冲宽度（PW）和更高的峰值功率，与飞秒脉冲激光器（10–15s）相比，具有结构简单、技术复杂度低等优势，被广泛应用于工业加工[1]、生物医学[2]、军事国防[3]和基础科研[4]等领域。
超短脉冲激光的产生方式主要为锁模技术，其中，被动锁模技术不需要外加信号来控制，只需要在谐振腔内插入一个可饱和吸收体作为开关器件，利用它随着光强变化的漂白作用达到锁模目的，是在光纤激光锁模技术中普遍采用的方法。在该锁模技术中应用*为广泛的开关器件为半导体可饱和吸收镜（semiconductor saturable absorber mirror，SESAM），其具有结构简单、锁模相对稳定、锁模阈值低、自启动及已经实现商品化的优势。近年来，一些新型可饱和吸收材料因其制备简单、成本低廉、反射光谱宽度、漂白时间短等优异的性能，受到研究人员的青睐。使用石墨烯[5]、碳纳米管[6]、过渡金属硫化物[7]、拓扑绝缘体[8]、黑磷[9]等可饱和吸收材料制作的开关器件，均能实现稳定的锁模激光输出，且覆盖宽的光谱范围。等效可饱和吸收体锁模技术（包括非线性偏振演化（nonlinear polarization evolution，NPE）和非线性光学环形镜（nonlinear optical loop mirror，NOLM）[10]等）是另外一种较为常用的被动锁模技术，其调制速度快、深度大，产生脉冲激光的光谱谱线平滑且较宽，十分有利于脉冲激光的展宽与压缩。以上锁模方式均可以实现全光纤结构的超短脉冲激光输出，具有体积小、柔性好、光路封闭、自启动以及稳定性好等优点，近几年已经能够取代固体锁模激光振荡器作为前端种子源，并在高功率、大能量激光系统中发挥出了*特优势，缩小了系统的体积，同时提高了系统的抗干扰能力，为后续的放大提供稳定的锁模脉冲激光。
获得高功率、大能量皮秒脉冲激光的方法是对种子源输出的锁模脉冲进行放大，常用方法一般分为以下三种：主振荡功率放大（master oscillator power amplification，MOPA）技术、自相似脉冲放大（self-similar pulse amplification，SPA）技术和啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification，CPA）技术。其中，MOPA技术和SPA技术都属于直接放大技术，主要区别在于MOPA技术是通过多级光纤级联方式实现高重复频率、较宽脉冲的直接功率放大；SPA技术是激光脉冲在光纤放大过程中，在色散、非线性和增益的共同作用下形成理想的抛物线型脉冲，有利于实现极窄脉冲的放大和压缩；而CPA技术则是通过色散管理将脉冲在时域上进行展宽，降低脉冲激光的峰值功率，在获得高增益的同时降低非线性效应，且能够避免或者减少相关的脉冲畸变和光学损伤，放大后的激光脉冲通过色散补偿的方法实现脉冲压缩，是一种获得高峰值功率超短脉冲输出十分有效的方法。在以上光纤激光放大技术中，获得高增益的同时能有效降低非线性效应，是实现高功率、高质量脉冲放大的关键。通常采用增大光纤放大器中增益光纤纤芯模场面积的方法抑制非线性效应，即大模场高掺杂双包层增益光纤，其纤芯面积可以达到百微米量级，有效地降低了非线性效应，获得高功率千瓦级甚至万瓦级激光脉冲放大输出，但其大的模场面积会使得光束质量下降。*新发展起来的光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）是一种可实现大模场面积、高光束质量的特种光纤，为提高光纤激光器的输出功率带来了新的曙光。现在商用PCF的模场面积已达到1000μm2，PCF还可利用较高的稀土掺杂浓度实现对泵浦光较高的吸收系数，这样可以利用较短的光纤研制高功率PCF激光器，减小高功率状态下光纤的非线性效应，PCF为抑制非线性效应提供了解决方法，但PCF与其他光纤之间的熔接工艺仍是要解决的难点问题。此外，光纤与固体相结合的功率放大技术是进一步提高超短脉冲激光能量和峰值功率的有效方法。将光纤激光器产生的脉冲激光利用固体介质进行功率放大，不仅可以在激光峰值功率和单脉冲能量方面实现突破，还能够保留光纤激光器紧凑稳定、光光转换效率高、光束质量好的优势。因此，光纤与固体相结合的方法在实现激光器能量突破方面具有很大潜力，同时也是超短脉冲光纤激光器未来的一种发展趋势。
色散的存在会使脉冲具有一定的啁啾特性，从而使其脉冲宽度大于傅里叶变换极限脉冲宽度，因此脉冲压缩技术在超短脉冲技术中起着至关重要的作用。对于锁模光纤激光器，脉冲压缩通常是指采用色散
目录
目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 皮秒光纤激光概念及特点 1
1.2 皮秒光纤激光发展现状 3
1.3 皮秒光纤激光面临的挑战 14
参考文献 17
第2章 皮秒光纤激光关键器件 21
2.1 光纤 21
2.1.1 光纤的特性 21
2.1.2 光纤的分类 29
2.1.3 光纤的制备 36
2.2 光纤光栅 41
2.2.1 光纤光栅及其刻写技术简介 41
2.2.2 啁啾光纤布拉格光栅及其刻写 45
2.3 光纤合束器 52
2.3.1 光纤合束器基本原理及分类 52
2.3.2 光纤合束器设计及制备 60
2.4 其他器件 75
2.4.1 光纤激光器泵浦源 75
2.4.2 光纤隔离器 75
2.4.3 光纤环形器 76
2.4.4 光纤滤波器 77
2.4.5 光纤衰减器 78
参考文献 79
第3章 光纤激光锁模振荡器 83
3.1 非线性偏振旋转锁模 83
3.1.1 非线性偏振旋转锁模基本理论 83
3.1.2 非线性偏振旋转锁模振荡器 84
3.2 可饱和吸收体锁模 93
3.2.1 几种常见的可饱和吸收体 93
3.2.2 几种典型的可饱和吸收体锁模振荡器 99
3.3 混合锁模 117
3.3.1 混合锁模概述 117
3.3.2 混合锁模的特点和优势 120
3.3.3 几种典型的混合锁模激光振荡器 122
参考文献 134
第4章 皮秒光纤激光放大器 137
4.1 光纤激光放大器基本理论 137
4.1.1 脉冲在光纤中的传输理论 137
4.1.2 脉冲在光纤中的增益放大特性 139
4.1.3 脉冲在光纤中的非线性效应及色散特性 148
4.2 皮秒脉冲主振荡功率放大技术 152
4.2.1 百瓦级全光纤皮秒脉冲放大器 152
4.2.2 重复频率可调皮秒脉冲放大器 162
4.2.3 光子晶体光纤激光放大器 166
4.3 光纤-固体混合皮秒脉冲放大技术 175
4.3.1 光纤-固体混合皮秒再生放大器 176
4.3.2 光纤-固体混合皮秒行波放大器 180
4.3.3 光纤-固体混合皮秒Innoslab板条放大器 189
参考文献 194
第5章 皮秒光纤激光脉冲的展宽与压缩 196
5.1 脉冲展宽器与压缩器 196
5.1.1 CFBG展宽器的设计与制作 196
5.1.2 CVBG压缩器原理 199
5.2 CFBG展宽器与CVBG压缩器在放大系统中的应用 200
5.2.1 级联CFBG展宽与CVBG压缩的啁啾脉冲放大系统 200
5.2.2 全光纤CFBG展宽与压缩系统 205
5.2.3 基于SMF和CVBG的啁啾脉冲放大器 210
参考文献 216
第6章 皮秒光纤激光泵浦的超连续谱产生 217
6.1 超连续谱产生理论 217
6.2 近红外超连续谱的产生 222
6.2.1 单芯光子晶体光纤产生超连续谱 222
6.2.2 七芯光子晶体光纤产生超连续谱 227
6.2.3 皮秒光纤放大器中直接产生超连续谱 229
6.3 中红外超连续谱的产生 231
6.3.1 基于锗酸盐光纤的超连续谱产生 231
6.3.2 碲酸盐光纤中的超连续光源产生 239
6.3.3 ZBLAN光纤中的超连续光源产生 241
参考文献 242
第7章 超短脉冲光纤激光相干合成 244
7.1 超短脉冲光纤激光相干合成概述 244
7.1.1 相干合成的研究背景及意义 244
7.1.2 相干合成技术的分类及特点 246
7.2 多抖动算法锁相 249
7.2.1 多抖动算法的基本原理 249
7.2.2 多抖动算法中重要参数的选取 251
7.2.3 自适应选参多抖动算法 257
7.2.4 多抖动算法应用实例 262
7.3 SPGD算法锁相 267
7.3.1 基本型SPGD算法 267
7.3.2 自适应选参SPGD算法 269
7.3.3 SPGD算法应用实例 275
7.4 Q-learning算法锁相 277
7.4.1 Q-learning算法基本原理 278
7.4.2 Q-learning算法模拟分析 283
7.4.3 Q-learning算法应用实例 287
参考文献 291
第8章 皮秒光纤激光技术的应用 294
8.1 皮秒光纤激光技术在工业领域的应用 294
8.1.1 皮秒光纤激光器的工业应用 294
8.1.2 光纤-固体混合皮秒脉冲激光器的工业应用 297
8.2 皮秒光纤激光技术在国防领域的应用 299
8.2.1 皮秒脉冲产生宽光谱及其应用领域 299
8.2.2 光电对抗——硅基光电探测器的信号干扰及损伤 301
8.2.3 皮秒光纤激光测距 303
8.3 皮秒光纤激光脉冲压缩技术在超快科学前沿领域的应用 304
8.3.1 泵浦-探测技术 304
8.3.2 双光子显微成像 304
8.3.3 飞秒激光频率梳 305
参考文献 306
试读
第1章 绪论
1.1 皮秒光纤激光概念及特点
超短脉冲激光（10–15～10–12s）技术作为激光技术的一个重要分支，自20世纪70年代诞生起便迅速成为光学领域*前沿的研究方向之一。超短脉冲激光为人类探索和研究超快现象以及创造极端物理条件提供了有力的工具，为光学特别是非线性光学开辟了新的研究领域，并促成了许多交叉领域的发展。与传统的固体激光器、气体激光器相比，超短脉冲光纤激光器具有电光转换效率高、光束质量好、系统简单小巧、可实现全纤化、抗干扰能力强等优点。同时，皮秒脉冲光纤激光器（10–12s）与长脉冲激光器（10–9～10–6s）相比，具有更窄的脉冲宽度（PW）和更高的峰值功率，与飞秒脉冲激光器（10–15s）相比，具有结构简单、技术复杂度低等优势，被广泛应用于工业加工[1]、生物医学[2]、军事国防[3]和基础科研[4]等领域。
超短脉冲激光的产生方式主要为锁模技术，其中，被动锁模技术不需要外加信号来控制，只需要在谐振腔内插入一个可饱和吸收体作为开关器件，利用它随着光强变化的漂白作用达到锁模目的，是在光纤激光锁模技术中普遍采用的方法。在该锁模技术中应用*为广泛的开关器件为半导体可饱和吸收镜（semiconductor saturable absorber mirror，SESAM），其具有结构简单、锁模相对稳定、锁模阈值低、自启动及已经实现商品化的优势。近年来，一些新型可饱和吸收材料因其制备简单、成本低廉、反射光谱宽度、漂白时间短等优异的性能，受到研究人员的青睐。使用石墨烯[5]、碳纳米管[6]、过渡金属硫化物[7]、拓扑绝缘体[8]、黑磷[9]等可饱和吸收材料制作的开关器件，均能实现稳定的锁模激光输出，且覆盖宽的光谱范围。等效可饱和吸收体锁模技术（包括非线性偏振演化（nonlinear polarization evolution，NPE）和非线性光学环形镜（nonlinear optical loop mirror，NOLM）[10]等）是另外一种较为常用的被动锁模技术，其调制速度快、深度大，产生脉冲激光的光谱谱线平滑且较宽，十分有利于脉冲激光的展宽与压缩。以上锁模方式均可以实现全光纤结构的超短脉冲激光输出，具有体积小、柔性好、光路封闭、自启动以及稳定性好等优点，近几年已经能够取代固体锁模激光振荡器作为前端种子源，并在高功率、大能量激光系统中发挥出了*特优势，缩小了系统的体积，同时提高了系统的抗干扰能力，为后续的放大提供稳定的锁模脉冲激光。
获得高功率、大能量皮秒脉冲激光的方法是对种子源输出的锁模脉冲进行放大，常用方法一般分为以下三种：主振荡功率放大（master oscillator power amplification，MOPA）技术、自相似脉冲放大（self-similar pulse amplification，SPA）技术和啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification，CPA）技术。其中，MOPA技术和SPA技术都属于直接放大技术，主要区别在于MOPA技术是通过多级光纤级联方式实现高重复频率、较宽脉冲的直接功率放大；SPA技术是激光脉冲在光纤放大过程中，在色散、非线性和增益的共同作用下形成理想的抛物线型脉冲，有利于实现极窄脉冲的放大和压缩；而CPA技术则是通过色散管理将脉冲在时域上进行展宽，降低脉冲激光的峰值功率，在获得高增益的同时降低非线性效应，且能够避免或者减少相关的脉冲畸变和光学损伤，放大后的激光脉冲通过色散补偿的方法实现脉冲压缩，是一种获得高峰值功率超短脉冲输出十分有效的方法。在以上光纤激光放大技术中，获得高增益的同时能有效降低非线性效应，是实现高功率、高质量脉冲放大的关键。通常采用增大光纤放大器中增益光纤纤芯模场面积的方法抑制非线性效应，即大模场高掺杂双包层增益光纤，其纤芯面积可以达到百微米量级，有效地降低了非线性效应，获得高功率千瓦级甚至万瓦级激光脉冲放大输出，但其大的模场面积会使得光束质量下降。*新发展起来的光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）是一种可实现大模场面积、高光束质量的特种光纤，为提高光纤激光器的输出功率带来了新的曙光。现在商用PCF的模场面积已达到1000μm2，PCF还可利用较高的稀土掺杂浓度实现对泵浦光较高的吸收系数，这样可以利用较短的光纤研制高功率PCF激光器，减小高功率状态下光纤的非线性效应，PCF为抑制非线性效应提供了解决方法，但PCF与其他光纤之间的熔接工艺仍是要解决的难点问题。此外，光纤与固体相结合的功率放大技术是进一步提高超短脉冲激光能量和峰值功率的有效方法。将光纤激光器产生的脉冲激光利用固体介质进行功率放大，不仅可以在激光峰值功率和单脉冲能量方面实现突破，还能够保留光纤激光器紧凑稳定、光光转换效率高、光束质量好的优势。因此，光纤与固体相结合的方法在实现激光器能量突破方面具有很大潜力，同时也是超短脉冲光纤激光器未来的一种发展趋势。
色散的存在会使脉冲具有一定的啁啾特性，从而使其脉冲宽度大于傅里叶变换极限脉冲宽度，因此脉冲压缩技术在超短脉冲技术中起着至关重要的作用。对于锁模光纤激光器，脉冲压缩通常是指采用色散
