碳纳米管饱和吸收体对超短脉冲偏振进化的调控机理与实验研究

Ultrafast fiber laser systems, that have attracted a lot of attentions over the past few decades, are next generation light sources compared to their solid state counterparts. So far, most of the studies of ultrashort light pulses have concentrated on pulse width, pulse power, pulse energy, timing jitter, phase, chirp and pulse shape etc. The mechanism of dynamic control of intrinsic polarization evolution is still not clear. To solve the difficulties of controlling ultrashort pulse polarization, this project aims to investigate the effects of carbon nanotube saturable absorber in a fiber laser platform for dynamic polarization evolution generation of ultrashort light pulses. By further investigating the semi-classic laser theory, we aim to optimize fabrication of the nano-fiber or ferrule type saturable absorber, polarization controlled carbon nanotube deposition will be implemented. The project will also focus on systematic study of the polarization dependency of the proposed saturable absorbers. By constructing an ultrafast fiber laser system with specific polarization trajectory output, the nonlinear properties of the saturable absorber and the laser output polarization trajectories can be correlated. It is intended to unveil the polarization evolution manipulation principle using an intracavity saturable absorber device. The proposed project may offer an approach to gain in depth knowledge of intrinsic properties of ultrashort laser pulses and provide a novel type of light source with potential applications in advanced telecommunication, micromachining, manufacturing and material quantum property study.

光纤超短脉冲激光器作为下一代光源正逐渐取代传统固体超快激光器并引起广泛关注和研究，但主要集中在脉冲的脉宽、功率、能量、时域抖动、啁啾以及波形等特性上。超短脉冲的本征偏振变化其调控机理尚未完全清楚。本项目针对腔内超短脉冲偏振调控技术难题，开展碳纳米管可饱和吸收体对超短脉冲偏振进化的调控机理研究。建立激光器的半经典理论模型，为基于端面和微纳光纤表面沉积的碳纳米管全光纤可饱和吸收体的制备和偏振调控优化提供理论指导，系统研究光纤型碳纳米管可饱和吸收体非线性参数的偏振依赖特性；以掺铒光纤激光器作为研究平台，搭建具有特定偏振进化轨迹输出的超短脉冲激光器，研究可饱和吸收体内调制实现的超短脉冲偏振进化轨迹，发掘激光腔内可饱和吸收体对超短脉冲本征偏振进化的影响因素，掌握超快激光的本质特性。项目研究成果将为探索新的通讯方式、先进加工技术和材料量子特性研究所需的先进光源奠定基础。

光纤超短脉冲激光器作为下一代光源正逐渐取代传统固体超快激光器并引起广泛关注和研究，但主要集中在脉冲的脉宽、功率、能量、时域抖动、啁啾以及波形等特性上。超短脉冲的本征偏振变化其调控机理尚不明确，产生超短脉冲的饱和吸收体是核心。本项目针对光纤激光器中超短脉冲偏振特性调控难题，开展碳纳米管可饱和吸收体对超短脉冲偏振进化的调控机理实验研究。本项目以掺铒光纤激光器作为研究平台，使用合作方提供的石墨烯薄膜饱和吸收体，成功展示了传统孤子激光器中可以产生偏振混沌吸引子。另外，在本项目的支持下，我们成功在实验室制备了碳纳米管薄膜型饱和吸收体，已经基本掌握这种器件的制备工艺包括材料配方、纳米材料分散过程、成膜工艺等。并有望进一步优化制备过程实现国产饱和吸收体的量产。我们搭建了具有特定偏振进化轨迹输出的超短脉冲激光器，首次实验展示了碳纳米管可饱和吸收体锁模的耗散估计脉冲偏振进化轨迹，阐明了偏振吸引子是超短脉冲的一个本征特性。基于这种薄膜型的饱和吸收体，我们还探索了GHz超短脉冲产生机理的探索。实验中成功展示了C+L波段，2GHz高信噪比谐波锁模脉冲的产生。系统探究了在被动锁模体系下，光谱带宽及平均色散对矢量孤子脉冲重复频率的影响因素。另外，针对脉冲偏振特性，本项目探索了基于偏振光纤光栅产生的标量光孤子。我们实验展示了，基于紫外和飞秒激光刻写的布鲁斯特倾斜光纤光栅能够作为有效的非线性偏振器件在不同的锁模机制下产生飞秒脉冲。在饱和吸收体方面，我们还探索了基于PbS量子点薄膜的新型饱和吸收体并成功产生了调Q脉冲及类噪声脉冲。在本项目的支持下，我们首次开展了单层石墨烯费米能级分布调控实验，实验展示了一种脉冲宽度可调的新型光纤激光器。其中，类噪声脉冲的输出功率可达30mW。本项目成果对掌握超快激光的偏振特性，探索新的通讯方式、先进加工技术和材料量子特性研究所需的先进光源奠定基础。