题目：光纤超快脉冲激光器技术及系统应用研究

信息科学和材料科学是未来科技发展的重要支柱。上世纪七十年代以来，以飞秒激光为代表的超快速光学技术的发展，为现代化的信息产业开拓了新的领域。超快的时间特性和极强的瞬时功率使超短脉冲在激光雷达测距、卫星编队、精细加工、生物医疗、高速光通信和超快信息处理等方面具有巨大的应用前景，是未来通信、军事、航天和医疗等行业发展的重要力量，也是加快我国科技信息化步伐的重要手段。伴随着光通信行业的蓬勃发展以及加工技术的不断进步，各类光纤及相关器件迅速实现了商业化，尤其是掺铒光纤技术的突破使得光纤激光器更具有实用性。进入新世纪，光纤超快脉冲激光器迅速成为大家关注的焦点，其具有成本低、能耗小、可集成度高，光束质量高、机械稳定性好、与光通信系统的兼容性高等优势。光纤超短脉冲技术的发展是推动超快激光实现实用化、产业化和规模化的关键力量。新型纳米材料是材料科学未来发展的主要方向之一，人们可以更加微观的了解甚至改变材料的性质与结构以满足不同行业的需求。近年来，以碳纳米管、石墨烯等为代表的新型纳米材料在光学领域表现出超强的非线性特性，而且具有超快（亚皮秒）的电子响应时间。尤其是碳纳米管复合材料已经在被动锁模激光器方面被广泛研究。比起应用于锁模技术中的传统半导体器件，纳米复合材料本身在器件加工和成本方面具有明显优势， 而且它能够使光纤飞秒激光器实现真正意义的全光纤化，增强了系统的实用性和可操作性。新型纳米复合材料将是未来超快脉冲激光器的首选锁模器件。本论文围绕基于碳管复合材料锁模器件的光纤超快激光器开展了大量的实验研究，实现了单波长，双波长、谐波锁模等不同工作类型的激光器，并针对光纤脉冲激光器几种不同的应用进行了实验研究和讨论，主要包括激光测距、快速时域分辨探测系统以及半导体表面THz辐射-探测系统平台的搭建等。有关研究获得了一定研究成果。论文主要分为以下几个部分：1、 基于碳纳米管复合材料实现了全光纤结构的飞秒脉冲激光器，提出并实现了可同时输出双波长脉冲的被动锁模激光器和调Q激光器。在腔内无任何滤波效应的情况下，利用掺铒光纤本身的增益特性，仅仅通过改变泵浦功率，调节腔内损耗等方式来调节腔内增益谱的峰值位置，在1530nm附近和1560nm附近两个波段窗口实现双波长脉冲同时输出。此外，本文基于碳管材料实现了重复频率从基频到11倍频连续可调的谐波锁模超短脉冲激光器。2、 本论文讨论了双波长激光器在泵浦探测系统中的应用。提出并利用碳纳米管双波长激光器产生的双波长、双重频脉冲应用于异步采样技术中，实现了装置结构相对简单、测量时间范围大（几十纳秒）、扫描速度快的时域分辨探测系统，并对半导体光放大器的非线性特性进行了测量验证。3、 本文讨论了双波长激光器在测距系统中的应用。基于异步采样技术，首次提出并验证了基于SOA非线性效应的非相干测距方法。利用异步采样技术获得SOA中ps量级的超快非线性信号，以此标定参考和延迟光路的时间位置，可实现大量程的快速测距系统，同时由于SOA非线性效应的异步采样信号可以在pJ脉冲功率下获取，因此系统可以在超低功率环境下运转。4、 本论文设计并搭建了基于光纤飞秒激光器泵浦的THz时域分辨系统。利用半导体表面的丹伯尔效应，外加磁场进行场增强的情况下，详细对比并分析了InSb和InAs两种窄带半导体的THz辐射特性，对二者出现的饱和特性和带宽特性做了一定的分析。5、 本文提出了一种基于金属线和高折射率介质管形成的太赫兹波段的混合波导，金属线和介质管之间的模式干涉有效的限制了太赫兹波模场面积并具有较低传输损耗。通过介质管中的空气孔的引入，进一步降低了传输损耗。仿真结果证明该结构在亚波长尺寸下的传播长度达几毫米。