基于光谱呼吸自相似的光纤飞秒激光系统输出变换极限脉冲的研究

The intense radiation sources, such as the high-order harmonic generation with femtosecond laser pulses, play more and more important role in Physics, Chemistry, Biology, and so on. Because of the technology development, the femtosecond Ti:Sapphire laser cannot fulfill the demand of high repetition rate for intense radiation sources. However, the femtosecond fiber laser can solve this problem, and shows the compactness, high stability, and anti-jamming performance, which is very suitable for using as the front end of the intense radiation sources. But it is difficult for the femtosecond fiber laser system to output nearly-transform-limited pulse with several-tens-fs pulse duration. So, in this proposal, we demonstrate spectral breathing self-similar amplification, which cancel the limitation of the gain bandwidth and output parabolic pulse with broad spectrum to support several-tens-fs dechirp pulse duration. Meanwhile, the spectral breathing self-similar amplification can avoid the gain narrowing for the linearity of the output chirp to support nearly-transform-limited pulse quality. With this proposal, we will study the dynamics of spectral breathing self-similar amplification for the nature of spectral breathing accelerating self-similar evolution and the reason of avoiding gain bandwidth limitation and gain narrowing. We will study the method of optimizing spectral breathing self-similar evolution. In the experiment, we build the femtosecond fiber amplification system and realize spectral breathing self-similar amplification. With the system, we verify the theory of spectral breathing self-similar amplification. After optimization, the system outputs nearly-transform-limited pulse with ~30 fs pulse duration.

利用飞秒激光产生高次谐波等强辐射源在物理、化学、生物等领域中扮演着重要的角色。随着研究的发展，钛宝石飞秒激光已经不能够满足强辐射源对高重复频率的要求，而光纤飞秒激光技术不但能够解决这一问题，而且具有结构紧凑、稳定性高、抗干扰能力强的优点，非常适合作为强辐射源的前端系统。但是目前光纤飞秒激光放大系统难以实现几十飞秒的近变换极限脉冲输出。为此，本项目提出了利用光谱呼吸自相似放大突破增益带宽的限制，输出具有较宽光谱的抛物线型脉冲，可压缩到几十飞秒，同时避免增益窄化效应的影响，保证脉冲啁啾的线性度，获得近变换极限的脉冲质量。本项目要深入研究光谱呼吸自相似放大的动力学过程，揭示光谱呼吸过程加速自相似演化的本质，阐明突破增益带宽限制、避免增益窄化影响的物理机制，找到优化光谱呼吸自相似演化的方法。研制光纤飞秒激光放大系统，实现光谱呼吸自相似放大，验证相关理论，获得~30飞秒近变换极限脉冲输出。

本项目主要目标是开发基于自相似放大的光纤飞秒激光源，输出几十飞秒的脉冲宽度和近变换极限的脉冲质量。主要研究光谱呼吸自相似放大的动力学过程，揭示光谱呼吸过程加速自相似演化的物理机制，探索突破增益带宽限制，自相似放大脉冲去啁啾后，获得~30 fs的近变换极限脉冲。开发出基于光谱呼吸自相似放大的飞秒激光源，并将该飞秒源用于相关应用研究，显示其独特的优势。. 研究中首先建立了光纤放大器中脉冲演化的数值模型，通过丰富模型中的物理过程和引入参数，使模型更加接近实际情况，可以较为准确地描述脉冲放大过程，为后面光谱呼吸自相似放大的动力学过程研究提供了平台。利用该数值模型，深入理解了光谱呼吸过程加速自相似演化机理，解释了在短增益光纤中实现自相似放大突破增益带宽限制的物理机制，回答了本项目的两个关键科学问题。系统研究了信号光脉冲参数和增益光纤增益分布对自相似演化的影响。基于以上认识，找到了获得窄脉宽、近变换极限飞秒激光脉冲输出的技术路线。针对实际放大器普遍存在的问题，我们还研究了光谱调制问题对自相似放大的影响，相关结论对后续的实验具有指导意义。. 基于以上的研究成果，开发了基于光谱呼吸自相似放大的光纤飞秒激光源，实现了脉冲宽度为37 fs的近变换极限脉冲输出。在进一步的研究中，我们基于皮秒光纤种子源，利用皮秒脉冲自相似放大获得了脉冲宽度~60 fs的近变换极限脉冲输出，探索出一个新的高功率、窄脉宽、高质量光纤飞秒激光源的技术方案，具有很高的应用价值和学术意义。. 利用我们开发的光谱呼吸自相似放大光纤飞秒激光源进行了应用研究，利用其输出脉冲宽度窄，时域质量高的特点，以其为泵浦脉冲源进行了相干合成的研究，获得了合成后脉冲宽度为~8 fs的少周期飞秒激光输出。这一应用结果，很好地显示了基于光谱呼吸自相似放大的光纤飞秒激光源的独特优势。