基于硫系拉锥光纤克尔效应的中红外全光纤亚百飞秒激光研究

Mid-infrared ultrafast lasers have extremely important applications in the fields such as medicine, national defense, communication, etc. However, the current mid-infrared all-fiber ultrafast lasers are difficult to achieve sub-100 fs pulses due to the limitation of the mode-locking mechanism. To solve this problem, the Kerr lens mode-locking in fiber laser realized by the high nonlinear coefficient and strong evanescent field of tapered chalcogenide fiber is proposed. By optimizing the intra-cavity dispersion and nonlinear effects, all-fiber mid-infrared sub-100 fs pulses are studied. In this project, the taper parameters of chalcogenide fiber, the efficient coupling between silica fiber chalcogenide fiber, and the performance of all-fiber mid-infrared ultrafast lasers will be investigated and optimized. This project aims at clarifying the influence of taper parameters of chalcogenide fiber on the physical mechanism of Kerr lens mode-locking in fiber laser, establishing theoretical mode of Kerr lens mode-locking in fiber laser, and realizing a miniaturized all-fiber ultrafast laser with the pulse width under 100 fs in 2 μm. The project will provide theoretical support of applying Kerr-lens mode-locking technique to fiber laser and propose a new solution for achieving mid-infrared sub-100 fs fiber lasers.

中红外超快激光器在医疗、国防、通信等诸多领域具有极其重要的应用前景，目前中红外全光纤超快激光器由于锁模机制的限制，难以实现超短脉冲。针对这一问题，本项目提出利用硫系拉锥光纤的高非线性系数与倏逝场特性实现克尔透镜锁模方式，通过对腔内色散和非线性效应的优化，开展全光纤中红外亚百飞秒超快激光研究。项目主要围绕硫系光纤的拉锥参数优化、石英光纤与硫系光纤的高效耦合，以及全光纤超快激光器性能优化展开研究，旨在阐明硫系光纤拉锥参数对克尔透镜锁模机制的作用机理，建立光纤激光器中克尔透镜锁模的理论模型，实现激光脉冲宽度小于百飞秒的小型化2μm波段全光纤超快激光输出。本项目的实施可为克尔透镜锁模应用于光纤激光器实现中红外亚百飞秒激光光源提供理论支持并奠定科学基础。

近年来随着精密加工和微型制造等领域的发展，对激光性能和波段的要求也日益增长。中红外激光在军事雷达、临床医学、大气探测及科学研究等领域都有着极大的实际需求，是国防和民用竞相研究的重点领域。硫系玻璃光纤因其优良的中红外波段透过性能、高折射率以及极高的非线性系数成为备受关注的中红外领域研究材料。但由于硫系玻璃光纤和石英光纤材料熔点的巨大差异，耦合效率极低，大大限制了硫系玻璃光纤的应用。.本项目针对当前硫系玻璃光纤应用于普通石英光纤激光器及中红外飞秒激光器的研究相对匮乏、硫系玻璃光纤拉锥平台尚不完善等现状，提出利用硫系拉锥光纤的高非线性和倏逝场特性，通过优化腔内色散和非线性效应，实现短脉冲激光输出，拓展脉冲激光在微纳加工领域的应用。项目成功建立了硫系玻璃光纤的拉锥平台，实现了表面光滑、均匀度好，锥区直径低至10 μm，锥区长度高达30 cm的硫系拉锥光纤；建立了光纤激光器脉冲传输的理论模型，通过优化腔内色散和非线性效应，利用合金型和金属过渡金属硫化物实现短脉冲激光输出，验证MoWSe2及2H-TaSe2材料实现中红外脉冲激光输出的可能性；采用非对称热熔接方法，解决了软玻璃光纤和石英光纤低损耗熔接的关键问题，通过精细调节熔接工艺参数，研究了光纤熔接点的熔接损耗、机械强度等特性与熔接功率、火头偏移量、熔接时间等关系，最终实现石英光纤和硫系光纤的熔接损耗低至0.5 dB，熔接强度大于460 g；拓展了飞秒激光在微纳加工领域的应用。本项目的研究成果为硫系玻璃光纤的应用提供了较好的实验数据和理论支撑，同时对飞秒激光在微纳加工领域的引用有着重要的指导意义。