多脉冲相干合成及脉冲压缩新方法的研究

High-power ultrashort optical pulses have attracted much attention in the scientific community. Compared with complex laser sources, pulse compression techniques provide a relatively simple way for ultrashort pulse generation. In order to generate high power ultrashort optical pulses, we have demonstrated, to the best of our knowledge, for the first time the use of a nonlinear optical fiber with exponentially decreasing dispersion to simultaneously compress and coherently combine multiple optical pulses from the same pulse train into a single pulse. As an illustration, we have showed that five hyperbolic secant pulses, which share the same chirp profile, will compress and coalesce into a single compressed pulse. The compressed pulse contains a large portion of the input pulse energy, is nearly chirp-free, pedestal-free, and maintains the hyperbolic secant pulse shape. We will develop a theoretical model for the ultrashort pulse propagation in nonlinear optical fibers. By employing the ultrashort pulse model, we will develop a deep understanding on two important processes, which are coherent beam combination and pulse compression. We will try to maximize the peak power of the final pulse and minimize the pulse time duration, while maintaining the excellent pulse quality. We will also provide possible and feasible fiber designs for the fiber fabrication. We believe our theoretical study will guide our future experimental research. The proposed project will provide the key technology for the research of high power ultrashort pulse generation.

高功率的超短光脉冲在科学界备受关注。和复杂的激光源相比，脉冲压缩技术提供了超短脉冲产生的相对简单方式。为了产生高功率超短光脉冲，我们首次实现，在色散指数递减的非线性光纤中多个光脉冲的相干合成和有效脉冲压缩。我们证实了：5个共享啁啾的双曲正割脉冲序列，合并成单个脉冲，并经历有效的脉冲压缩。压缩脉冲包含了输入脉冲能量的大部分，几乎无啁啾，无基座，并保持双曲正割脉冲形状。我们将开发非线性光纤超短脉冲传输的理论模型。通过采用超短脉冲理论模型，我们将建立对两个重要物理过程，相干合成和脉冲压缩的深刻理解。我们在保持优良脉冲质量的同时，试图最大化脉冲的峰值功率和最小化脉冲持续时间。我们还将为光纤制造提供了可能和可行的光纤设计。我们相信，我们的理论研究将指导我们今后的实验研究。该项目将提供高功率超短脉冲产生的关键技术。

近年来，超短脉冲由于其在光通信，超连续谱生成，超快光谱学和非线性光学成像应用而受到了广泛的关注。和复杂的激光源相比，脉冲压缩技术提供了超短脉冲产生的相对简单方式。为了产生高功率超短光脉冲，我们首次实现，在色散指数递减的非线性光纤中多个光脉冲的相干合成和有效脉冲压缩。我们证实了具有相同中心波长且共享啁啾的双曲正割脉冲序列，在非线性光纤传输过程中合并成单个脉冲，并最后经历有效的脉冲压缩。压缩脉冲包含了输入脉冲能量的大部分，几乎无啁啾，基座较小，并保持双曲正割脉冲形状。我们开发了非线性光纤超短脉冲传输的理论模型。通过采用超短脉冲理论模型，我们建立了对两个重要物理过程，相干合成和脉冲压缩的深刻理解。我们在保持优良脉冲质量的同时，试图最大化脉冲的峰值功率和最小化脉冲持续时间。为了寻求更好的输出脉冲质量，我们还深入探讨了不同输入脉冲轮廓，不同输入脉冲个数以及不同初始脉冲宽度对多脉冲融合与压缩的影响。对于激光器来说，在光纤中实现不同中心波长的多脉冲融合依然是一项复杂且艰难的工作，因此我们尝试通过不同中心波长的多脉冲融合与压缩的方法产生高能量超短脉冲。我们已经证明，通过输入多个不同中心波长的带啁啾升余弦脉冲，可以在短距离的色散指数递减非线性光纤中实现快速融合和有效压缩。在脉冲压缩新技术上，我们设计出了级联单模光纤并实现了级联高阶孤子脉冲压缩，其最大优势在于实现较高压缩倍数的同时降低基座能量损耗。与光纤相比，硅基波导具有更高的非线性系数以及更小的尺寸，因此我们设计了二阶色散指数递减的锥形硅波导来实现自相似脉冲压缩以及产生高重复频率超短脉冲序列。我们相信，我们的理论研究将指导我们今后的实验研究。该项目将提供高功率超短脉冲产生的关键技术。