基于光子晶体Dirac模式的光纤随机激光频谱压缩和定位机理研究

As a new type of light source, random fiber laser has attracted many attentions. The absence of resonant cavity greatly simplifies laser design, but control over the emission frequency is lost, seriously hindering prospects for this otherwise simple laser. Enhancement of frequency selectivity is essential for further development of random fiber laser. The study on fiber guiding at the Dirac frequency shows that the Dirac mode can take on the role of a resonant cavity with the establishment of frequency selectivity of a random fiber laser, without altering the optical feedback mechanism of multiple scattering, so the statistical feature of a random laser is retained. However, the nature and mechanism of the Dirac mode is to be further explored, and its effect on frequency control of a random fiber laser is not well understood yet. In this proposal a random fiber laser based on Dirac mode of a photonic crystal fiber is studied. By modulation of the Dirac mode we intend to compress the spectrum and control the position of center frequency of the random fiber laser. For this purpose we systematically explore the novel guiding mechanism of the Dirac point. Condition of the Dirac mode that concentrates energy in both space and frequency will be revealed. By adjusting the overlap of the spectrum of the Dirac mode and the fluorescence emission spectrum of the laser dye, and observing its influence on the random fiber laser, the modulation of the Dirac mode on the emission spectrum of the random fiber laser is studied. These studies will provide scientific and technical evidences and pave the way for better random fiber laser.

随机激光作为一种新型激光光源而受到关注。谐振腔的缺失简化了激光器结构，但也导致了对激光发射频率控制手段的匮乏。如何提高频率选择性是随机激光发展亟待解决的问题。已经完成的光子晶体Dirac光纤传输谱计算数据揭示，Dirac模式可以代替谐振腔提高光纤随机激光的频率选择性而不改变其漫反射反馈机制，保持了随机激光的统计特点。但Dirac模式的性能还有待于进一步发掘、对随机激光频谱控制的效果和机理也还不完全清楚。本项目研究基于Dirac模式的光纤随机激光，旨在利用Dirac模式调制光纤随机激光的频谱。为此，拟系统探讨Dirac点不同于光子带隙的导光机制，揭示集空间约束和频率选择为一体的Dirac局域模式的形成条件和机理。通过研究Dirac模式频谱与激光染料分子荧光谱的重叠度对随机激光的影响，探索Dirac模式对光纤随机激光发射频谱宽度和位置的控制机理，为提高光纤随机激光的频率选择性提供科学依据。

随机激光是一种非传统激光。它是利用无序增益介质的多重散射代替谐振腔有规律的反射作为反馈机制而得到的受激辐射现象。与传统激光相比，随机激光最大的不同之处在于无需谐振腔，该特点一方面简化了激光器的结构，改变了激光的统计特征，另一方面也牺牲了对激光方向性和频率选择性的控制。光纤的空间约束为方向性的问题提供了一个有效的改善办法。但由于传统频率控制机制与随机激光漫反射反馈机制不能兼容，与激光器结构简单的要求也有冲突，如何在保持随机激光统计特征和简单结构的前提下压缩并定位随机激光的发射频谱，是光纤随机激光进一步发展亟待解决的问题。我们开发了一种可以更好地为光纤随机激光服务的新型光纤-狄拉克光子晶体光纤。通过量子ZB干涉颤振效应保留狄拉克频率排除其它频率，具有类似于谐振腔的频率选择能力，而不改变随机激光的漫反射反馈机制，保持了随机激光的特点和优势。我们结合这种新的选频机制，探索提高光纤随机激光频率选择性的新机理、新方法。我们在本项目中，（a）对三角晶系光子晶体晶格几何特征与狄拉克能带结构参数的关联情况进行了统计分析，研究了狄拉克模式频谱调制光纤随机激光频谱特征的相关度量指标，提炼了基于随机激光发射模式空间域和频率域质量的综合优化准则。（b）拉制了光子晶体狄拉克光纤，研究了光子晶体狄拉克模式对介质折射率空间分布变化及激发源频率变化的敏感性，以及在光纤众多模式中激发提取狄拉克模式的技术和方法，测试了狄拉克局域导波模式近场空间分布。（c）在光子晶体狄拉克光纤上制备了光纤随机激光，进行了表征并测试性能，将谱线宽度压缩了80%，接近0.4nm，并成功实现了对随机激光中心频率的控制。（d）探讨了狄拉克模式频谱与激光染料荧光分子发射谱重叠度对随机激光的影响，探讨了狄拉克光纤随机激光的空间相干性及其散斑抑制效果。我们的方法为提高光纤随机激光的频率选择性提供了一条新的技术途径。