全光纤直接位相调制啁啾脉冲激光源

Ultra-short optical pulses with high pulse energy are required for a variety of applications, such as laser micromachining, ultrafast frequency metrology, medicine and high-energy physics. The chirped pulse seeds commonly used in the producing progress of ultra-short pulses are stretched from the mode-locking pulses. However, this scheme is expensive, without flexible control of dispersion, and has large footprint. For these problems, innovative chirped pulse laser source by direct phase modulation is designed. By theoretical simulation of the phase modulation accumulation with successive passes, the impact of various parameters on the characteristics of the spectral broadening is analyzed and the multi-pass structure is designed to verify the above theoretical analysis. On this basis, theoretically analyze of programmatic control of phase modulation and verify the programmatic spectral control by design phase modulation drive signal waveform ,which can be used for the compensation of phase errors introduced by the high-order dispersion or nonlinear effect . The chirped pulse laser source by direct phase modulation can be realized in all-fiber form which is with high stability and compact. Programmatic control of phase profile should also be expected to be realized and the controllability and output performance of the chirped pulse amplification (CPA) system will be greatly improved.

高能量超短激光脉冲在激光加工、超快光谱学、医学、高能物理等多种领域应用广泛。目前，超短脉冲产生过程中使用的啁啾脉冲种子源大多采用锁模脉冲经光栅展宽器展宽获得。针对目前技术方案中集成化，色散控制等方面存在的问题，创新性采用直接位相调制的方法由窄线宽脉冲获得啁啾脉冲。通过理论模拟多次位相调制叠加实现光谱展宽的过程，获得各参数对展宽特性的影响；在理论指导下，设计多次位相调制结构验证上述理论分析结果，实现啁啾脉冲输出。在此基础上，理论分析不同的位相调制驱动信号波形对位相分布的影响；验证通过设计位相调制的驱动信号波形对高阶色散或者非线性效应引入的光谱变化进行补偿的可行性，并使用任意波形发生器验证理论模拟结果。该技术方案可实现全光纤化，集成性和稳定性高，色散控制灵活，并有望通过高速电子学技术实现脉冲位相特性可编程控制，大幅度提高CPA系统的可控性和输出性能。

高能量超短激光脉冲在激光加工、超快光谱学、医学、高能物理等多种领域应用广泛。目前，超短脉冲产生过程中使用的啁啾脉冲种子源大多采用锁模脉冲经光栅展宽器展宽获得。针对目前技术方案中集成化，色散控制等方面存在的问题，本项目创新性采用直接位相调制的方法由窄线宽脉冲获得啁啾脉冲。研究内容主要包括通过理论模拟多次位相调制叠加实现光谱展宽的过程，获得各参数对展宽特性的影响；在理论指导下，设计多次位相调制结构验证上述理论分析结果，实现啁啾脉冲输出。并在此基础上，理论分析不同的位相调制驱动信号波形对位相分布的影响；验证通过设计位相调制的驱动信号波形对高阶色散或者非线性效应引入的光谱变化进行补偿的可行性，并验证理论模拟结果。.本项目主要成果包括：（1）完成了多次位相调制理论模型的建立；（2）并完成了多程位相调制实验平台的搭建，获得了激光脉冲在光纤环形腔中数十次循环输出，基于双折射补偿解决了多程光纤环形结构中光谱透射函数不平坦的问题；（3）创新性采用高速电子学技术产生位相调制信号，实现位相调制信号和激光脉冲的高精度时间同步，同步精度可以达到<2 ps (rms)，重复频率可以达到>10 MHz；（4）利用多次位相调制结构对0.03 nm的窄线宽激光脉冲进行光谱展宽获得了谱宽2.238 nm啁啾脉冲输出，验证了位相调制信号波形和输出光谱特性的对应关系；（5）利用多次位相调制结构对自相位调制效应引起的光谱展宽进行补偿，验证了多次位相调制结构对非线性效应等因素引入的光谱变化进行补偿的可行性；（6）基于光纤多程环形增益结构的平台，开展了全光纤再生放大、固体光纤混合再生放大及多程啁啾光纤光栅展宽等相关的应用研究工作。.基于多次直接位相调制的光谱控制技术为啁啾脉冲的产生提供了一种灵活可控的技术方案，该技术方案具有时间整形啁啾脉冲、线性啁啾光谱整形、位相畸变补偿等多种应用前景，本项目完成了多次直接位相调制理论和实验的初步研究，验证了多次直接位相调制对光谱控制的可行性，为继续开展本领域研究工作打下了基础。