中红外波段石墨烯锁模级联脉冲光纤激光器的机制分析与实验研究

Ultrashort pulse fiber lasers operating in the mid-infrared region have attracted significant attentions because of their wide potential applications in military and civilian. Considering the fact that the ultrashort pulse fiber lasers operating in 3 μm region have not been realized, this project is to develop high-performance mid-infrared ultrashort pulse fiber lasers. Combining characteristics of cascaded transition of holmium doped ZBLAN fiber, broadband saturable absorption of graphene and dispersion compensation of chirped fiber Bragg gratings (CFBG), a new type of laser which can generate dual wavelength ultrashort pulses at 2 μm and 3 μm will be realized. The research contents mainly include: 1). To investigate the energy level and spectrum characteristics of holmium doped ZBLAN fiber, and establish cascaded laser model. 2). To study the Q-switched and mode-locked mechanism of graphene in mid-infrared region. 3). To build the fluoride-fiber-based CFBG model and develop relative fabrication technology. 4). To investigate the mechanism of mode-locked induced gain switching of two-transition cascade lasers. 5). To study the mechanism of mode-locking of two-transition cascade lasers. The proposed methods of achieving mid-infrared dual wavelength ultrashort pluses in this project have never been reported. The involved techniques including graphene-based mode locking, CFBG dispersion compensation, mode-locked induced gain switching, mode locking of cascaded laser can be transferred to the other types of mid-infrared pulse fiber lasers. The research results of this project will promote the development of mid- and far-infrared ultrashort pulse fiber lasers.

中红外超短脉冲光纤激光在民用和军用上都有着重要的应用前景。针对3 μm波段还未实现超短脉冲光纤激光的现状，本项目旨在发展高性能中红外超短脉冲光纤激光技术，结合掺钬ZBLAN光纤的级联跃迁效应、石墨烯宽带可饱和吸收特性以及啁啾光纤光栅色散补偿机制，理论和实验研究同时产生3 μm和2 μm超短脉冲的新机制。研究内容包括：一、研究掺钬ZBLAN光纤能级光谱特性，建立其级联激光理论模型；二、研究中红外波段石墨烯光纤调Q/锁模机制；三、建立氟化物光纤CFBG色散补偿模型并研究制作技术；四、研究石墨烯锁模导引增益调制脉冲的机制；五、研究石墨烯双锁模级联脉冲的机制。 本项目提出的产生双波长超短光纤脉冲的方法尚未见其它报道，所涉及的石墨烯锁模、CFBG色散补偿、锁模导引级联能级增益调制、级联双锁模等方法是在中红外波段实现超短光纤脉冲的共性方法，具有良好的移植性，研究结果将促进中远红外超短脉冲技术发展。

中红外脉冲光纤激光在生物医疗、材料加工、光谱学等诸多领域都具有重要的应用前景，鉴于上述领域对高性能中红外脉冲激光源的迫切需求，本项目从理论和实验两个方面围绕中红外脉冲光纤激光开展了系统性研究。在理论上，我们率先建立了中红外级联掺Er3+和掺Ho3+ZBLAN光纤激光理论模型，详细分析了光纤内各能级跃迁过程对级联激光输出特性的影响，并从激光效率、阈值和产热角度出发对激光器进行了综合优化，结果表明级联跃迁是实现低产热、高效激光输出的有效措施，同时为多波带光纤激光输出提供了一种新手段；在实验上，可以分为以下三个方面：（1）3μm波段脉冲光纤激光，我们研究了不同可饱和吸收材料在中红外波段的非线性吸收特性，探索了它们在3μm中红外波段的调Q/锁模潜力，率先在实验上证实了新型二维材料拓扑绝缘体和黑磷以及三维半金属材料Cd3As2在3μm波段的脉冲产生潜力，同时，我们还发现在Cd3As2材料中掺入Cr离子，同时改变其掺杂浓度可实现材料弛豫时间的精确控制，从而满足不同形态脉冲光纤激光产生的实际需求，这为高灵活性红外超快光开关的研制奠定了基础；（2）2μm波段脉冲光纤激光，我们研究了2μm波段全光纤脉冲激光产生新方法，研制了第一个可在2μm波段工作的45度倾斜光纤光栅，基于该器件，率先实现了真正意义上的2μm波段全光纤超短脉冲激光器，在此基础上，通过腔内色散控制和腔内滤波分别实现了14.5GHz的高重频锁模脉冲（2μm波段最高重复频率）和第一台类噪声/高重频共存的双波长超短脉冲光纤激光器；（3）双波带中红外脉冲光纤激光，探索了级联掺Ho3+ZBLAN光纤的双波带脉冲产生潜力，提出了被动调Q导引增益调制和级联增益调制的双波带脉冲光纤激光产生新方法，实现了3μm和2.1μm双波带脉冲光纤激光输出，通过调节泵浦功率，可实现脉冲宽度、重复频率和时间延迟的控制，为双波带甚至多波带脉冲光纤激光的实现提供了新思路。 基于上述结果，我们共发表论文28篇（其中SCI论文24篇，EI论文4篇），申请国家发明专利15项（其中1项已授权）。