基于两级光子晶体光纤的超短飞秒脉冲的产生与压缩研究

本项目研究高功率啁啾皮秒激光在空芯光子晶体光纤（HC-PBGF）中高效率地转化为飞秒孤子脉冲和孤子调控机理，进而研究采用高非线性光子晶体光纤（HN-PCF）对飞秒孤子脉冲进行再压缩获得超短的飞秒脉冲输出的非线性光学机理以及实验关键技术。.内容包括：首先建立皮秒啁啾脉冲在HC-PBGF 中的传输模型，研究皮秒脉冲的啁啾、功率以及HC-PBGF相对色散斜率对孤子形成与调控的物理机理；搭建实验系统，实现HC-PBGF中从高功率皮秒啁啾脉冲到飞秒孤子脉冲的高效率转化。其次，从理论和实验上研究获得的飞秒孤子脉冲在HN-PCF中利用激发高阶孤子以及脉冲内拉曼散射与负三阶色散实现脉冲的再压缩，研究各个因素是如何作用并获得最优化的参数，最终获得超短飞秒脉冲输出。.本项目研究的以高功率啁啾皮秒脉冲激光器，HC-PBGF 和HN-PCF 构建的超短飞秒激光，对高功率全光纤集成的飞秒激光系统的发展有重要意义。

本项目提出以商业化的高功率啁啾皮秒脉冲激光器为泵浦激光，构建空芯光子带隙光纤（HC-PBGF）组成的飞秒激光系统的第一级，将啁啾皮秒脉冲高效率地转换为飞秒孤子脉冲；在此基础上，构建高非线性光子晶体光纤（HN-PCF）的第二级飞秒孤子再压缩系统，对前级获得的飞秒脉冲进行直接脉冲压缩，以获得更短的飞秒脉冲输出。利用HC-PBGF和HN-PCF，通过光纤中的飞秒孤子形成以及激发高阶孤子进行脉冲再压缩实现超短飞秒脉冲输出，从而有效解决目前飞秒激光系统的离散化、复杂化、成本昂贵以及娇嫩性等问题。. 本项目从理论和实验两方面就基于两级光子晶体光纤产生超短飞秒脉冲及脉冲压缩进行详细研究。从理论上，明确了基于HC-PBGF的飞秒孤子形成中输入啁啾皮秒脉冲和HC-PBGF相对色散斜率等对孤子调控的物理过程，从而选择采用色散斜率较小即色散比较平缓的HC-PBGF获得了调谐范围较大的飞秒孤子。实验上，通过15m长度的HC-PBGF将平均功率为10W，具有线性啁啾的5.5ps脉冲高效率地转化为脉冲宽度约为380fs，平均功率达2.3W，近变换极极的飞秒孤子脉冲。在此基础上，从理论上研究和仿真分析HN-PCF中孤子自压缩超短飞秒脉冲的形成机理和物理过程，研究了产生超短飞秒脉冲的脉冲能量匹配、HN-PCF最佳长度等要求，为飞秒孤子脉冲压缩实验提供理论依据和指导，在实验上通过仅1.3cm长度的HN-PCF，将380fs的孤子脉冲压缩至66fs，达到了项目预期目标。本项目实现了由皮秒脉冲光源、HC-PBGF和HN-PCF构成的新型简约、高效、稳定的飞秒激光系统，明确了其中的物理机理和实验关键技术。