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全保偏混合锁模掺铒光纤激光器稳定性研究

摘要

利用光纤非线性克尔效应锁模的光纤激光器具有结构紧凑、输出功率高、支持全波

段工作等优点，但稳定性差以及脉冲的自启动困难等缺点也难以避免。另一方面，可饱

和吸收体锁模的光纤激光器具有稳定性高、脉冲自启动容易等突出优势。在同一光纤激

光腔中运用两种以上的单种锁模机制构成混合锁模方案，混合锁模方案能够克服单种锁

模的缺点同时结合各自的优点，得到了广泛的关注和研究。

本文通过数值求解矢量耦合的非线性薛定谔方程，理论研究多维腔参数对全保偏混

合锁模掺铒光纤激光器稳定性的影响，其中的混合锁模机制由非线性偏振旋转和饱和吸

收体共同实现。模拟了全保偏非线性偏振旋转锁模掺铒光纤激光器多种输出状态及各种

状态之间的切换，之后创建了与非线性偏振旋转角度相关的二维脉冲状态映射图用以评

估激光器的输出稳定性，发现稳定的单脉冲状态只占少数。通过在光纤激光腔中引入可

饱和吸收体构成混合锁模方案，混合锁模方案显著增强了激光器的稳定性。考虑到非线

性偏振旋转的起源，研究了非线性偏振旋转部分光纤正交偏振轴上脉冲分量互作用时间

对激光器稳定性的影响，发现互作用时间越长，激光器稳定性越差。

研究了腔群速度色散对工作在反常色散区和正常色散区的混合锁模激光器输出特

性的影响。在反常色散区，稳定的单脉冲工作点与群速度色散的曲线变化趋势与饱和吸

收体恢复时间无关，并且存在一个最优的群速度色散使稳定的单脉冲工作区域最大，而

在正常色散区，群速度色散对稳定的单脉冲工作区域的影响严重依赖于恢复时间。同时

研究了群速度色散对脉冲峰值强度以及持续时间的影响，在反常色散区，脉冲峰值强度

和持续时间都存在最优值，而在正常色散区，脉冲峰值强度与群速度色散成反比，持续

时间与群速度色散成正比。

研究了饱和吸收体恢复时间对工作在近零色散区的混合锁模光纤激光器稳定性的

影响。结果表明混合锁模光纤激光器稳定的单脉冲工作区域与饱和吸收体恢复时间成反

比，并且理论解释了这种反比关系的物理机制来源于饱和吸收体恢复时间对腔内脉冲对

称性的改变，即恢复时间越长腔内脉冲对称性越差。在正常色散区的仿真结果进一步验

证了上述理论解释。

关键词：掺铒光纤激光器；混合锁模；非线性偏振旋转；可饱和吸收体；群速度色散

全保偏混合锁模掺铒光纤激光器稳定性研究

Abstract

Fiberlaserswithnonlinearkerreffectoffibermode-lockinghavetheadvantagesof

compactsize,high-poweroutputcouldbeobtainedandsupportawidewavelengthrangefrom

visiblelightbandtomidinfrared,buttheyalsosufferfrompoorstabilityandpulseself-starting

difficulty.Ontheotherhand,fiberlaserswithsaturableabsorbermode-lockingaresuitableto

achieveself-startingandcanrealizegoodlong-termstability.Theuseofahybridmode-locking

schemethatcombinestwoormoresinglemode-lockingmechanismsinthesamefiberlaser

cavityhasattractedwidespreadattentionandresearch,asitcanovercomethedisadvantagesof

singlemode-lockingwhilecombiningtheirrespectiveadvantages.

Theinfluenceofmulti-dimensionalcavityparameterson