全光纤超短长度飞秒激光被动同步技术的研究

Synchronization of ultrashort pulses is essential for many applications. Synchronizing mode-locked lasers with all fiber structure and ultrashort fiber length is strongly demanded. In this proposal, we will develop all fiber structure ultrashort laser synchronization technic based on graphene and microfiber. Laser synchronization is caused by graphene covered on WDM coupler constructed by microfiber. By employing the wideband and ultrafast saturable absorption of graphene, laser synchronization can be achieved in ultrashort distance. With the optical field around the microfiber, laser pulses will have flexible couple with the graphene by changing the diameter of the microfiber, while the all fiber structure is maintained. When the graphene is covered on the tapered region of WDM coupler, the mix and synchronization of laser pulses can be accomplished at the same time, the synchronization device will be more compact. Using the new design, we will fabricate broader bandwidth, easier preparation process, more simple structure and compact all fiber synchronization device.

飞秒激光脉冲同步技术具有重要应用，开发全光纤超短长度的飞秒激光脉冲同步技术具有重要意义。本项目提出开展基于石墨烯和微纳光纤的全光纤超短长度飞秒激光脉冲被动同步技术研究，将石墨烯薄膜覆盖在微纳光纤拉制的波分复用（WDM）耦合器锥区构建同步装置。进行同步的飞秒激光通过微纳光纤构成的WDM耦合器进行混合，并通过倏逝波对石墨烯的可饱和吸收特性进行调制，从而实现被动同步。该同步方案充分利用了石墨烯的可饱和吸收特性和超宽带响应特性，使两列激光可以在很短的距离内实现同步，且适用波段范围广；以微纳光纤为传输载体，通过微纳光纤周围的强倏逝场实现激光与石墨烯的耦合，既保持了全光纤的结构，又能够通过改变光纤直径方便地控制耦合强度；同时构建WDM耦合器，可使激光脉冲的混合和同步同时进行，使得装置结构更加紧凑。该被动同步技术具有如下优点：更宽的波长适用范围；更简便的制备过程；更简单的器件结构；更高的系统集成度。

本项目通过四年的研究工作，已完成了项目计划内容，并根据实际情况作了部分调整和深入研究。主要研究工作有：1、购置和改造了部分实验设备；2、研究了以微纳光纤为平台、以石墨烯等二维材料、金属纳米粒子等纳米材料为工作物质的全光纤可饱和吸收体的设计与制备技术；3、测量了基于石墨烯、银纳米粒子、二硒化铂纳米片的全光纤可饱和吸收体的可饱和吸收特性及交叉损耗调制特性；4、在描述石墨烯可保和吸收特性二能级模型基础上，构建了四能级模型，对二维纳米材料中的交叉损耗调制特性进行了模拟和分析，研究了调制光光强、波长等对纳米材料非线性吸收系数、饱和光强等的影响；5、基于石墨烯、银纳米粒子、二硒化铂纳米片等全光纤可饱和吸收体构建了多种调Q及锁模脉冲光纤激光器，包括运行状态可调光纤激光器、脉宽可调调Q光纤激光器等，并研究了其中的物理过程；6、利用基于石墨烯的全光纤可饱和吸收体中的交叉损耗调制效应成功构建了同步调Q与同步锁模光纤激光器。项目提出的基于二维纳米材料与微纳光纤的可饱和吸收体具有调制深度可实时调整的特点，有助于激光脉冲的实时优化及调制，有效拓展脉冲光纤激光器应用的灵活性；项目提出的基于二维纳米材料交叉损耗调制效应的同步脉冲激光器，可在微分吸收雷达、光通信、太赫兹波产生及多波长泵浦探测方面获得应用。