基于光子晶体光纤飞秒技术的相干合成获得周期量级超短激光脉冲

两相干脉冲分别进行非线性频率变换和色散补偿后在空间和时间上相干合成，得到周期量级的超短激光脉冲，该方法将全部脉冲光谱的整体控制问题，转化为两不同光谱分别独立控制问题。该项目利用全光子晶体光纤飞秒激光放大器输出的高平均功率飞秒激光脉冲，研究两相干脉冲分别进行非线性频率变换和色散补偿后的相位相干时域合成技术，主要包括：两相干脉冲频率变换后的相干性研究；利用稳定的自频移孤子获得无光谱抖动的超短激光脉冲输出；设计具有两个零色散点的光子晶体光纤。

飞秒激光脉冲的相干合成是将两束或者多束高度相干的飞秒激光脉冲进行时间和空间的叠加，可以获得更高单脉冲能量或者更窄脉冲输出，是目前飞秒激光技术研究的前沿热点。本项目主要研究利用飞秒激光的相干合成获得更窄脉冲输出，脉冲宽度接近周期量级。基于光纤非线性频率变换技术将初始飞秒激光脉冲分振幅分束后，在保证相干性的前提下分别进行光谱展宽或者光谱搬移，之后在时间和空间进行精确合成，通过优化分束后脉冲的非线性频率变换过程和光谱展宽后的时域相位补偿，使合成后脉冲宽度更窄。针对利用相干合成获得近周期量级飞秒激光脉冲输出，在项目执行过程中，系统研究了光子晶体光纤飞秒激光源动力学过程、飞秒激光脉冲线性和非线性控制、双路飞秒激光相干合成这三个方面。.在光子晶体光纤飞秒激光源动力学研究过程中，利用多通长腔和腔外压缩技术获得了去啁啾后脉冲宽度25 fs，平均功率1 W的输出，这是目前光子晶体光纤锁模激光器腔外压缩的最短脉冲记录。首次提出了利用非线性脉冲预整形在较短的增益光纤中实现快速自相似放大，获得了近变换极限的飞秒激光脉冲输出；在此基础上提出了光谱呼吸的快速自相似放大，获得37 fs的变换极限脉冲输出，这是目前最短的自相似脉冲记录。在飞秒激光脉冲线性和非线性控制的研究中，基于4-f结构和液晶空间光调制器实现了对脉冲形状的控制，获得了皮秒量级的方波脉冲，并实现了对脉冲高阶啁啾的补偿，输出变换极限脉冲，为单路脉冲相位的精确控制提供了一个可行方案。同时，系统研究了飞秒激光脉冲在全正色散光纤、双零色散光子晶体光纤和全固带隙光纤中非线性频率变换，在一款自行设计并拉制的全固带隙光纤中产生高功率自频移孤子输出。在双路飞秒激光相干合成的研究中，为了得到高平均功率相干合成输出，选择全固带隙光纤作为一路脉冲的非线性频率变换光纤。在数值模拟研究中获得了近7 fs（2个光学周期）的飞秒激光脉冲输出。在实验中，通过控制入射功率等参数，实现了可控的自频移孤子输出，与另一路基态孤子合成，获得了脉冲宽度14 fs（4个光学周期）的脉冲输出。