基于大角度倾斜光纤光栅的全光纤色散管理器件及应用研究

All-fiber dispersion management device is the key device of fiber laser technology, and has very important meanings for high energy, ultrashort pulse generation. This research programme proposes a novel all-fiber-based dispersion management device based on high order cladding modes of optical fiber. Large angle tilted fiber grating will be used to couple core mode to discrete cladding modes, implementing novel dispersion management device having virtues of in-fiber, ultra wide spectrum, high threshold for nonlinear effects, large dynamic range and flexibility for fine tuning of dispersion. The main research will include: study on theory model of dispersion of high order cladding modes; exploring methods for high efficient, precision coupling between core mode and high order cladding mode through characterization study on mode coupling assisted by large angle tilted fiber grating; novel design of large angle tilted fiber grating and fabrication of broadband width response fiber devices. All-fiber ultrafast fiber laser technology and the applications will strideforward with thrust from technical support and development of key devices, which are enabled by study on mechanism and investigation on processing technique of novel device for dispersion management.

全光纤色散管理器件是光纤激光技术中的核心器件，对于高能量、超短脉冲产生具有十分重要的意义。本项目提出一种新型的色散管理器件，利用大角度倾斜光纤光栅实现光纤基模与包层模式的耦合，基于光纤包层的高阶模式进行色散管理，最终实现具有全光纤结构、宽带宽、高非线性阈值、较大色散量范围、色散值灵活调节等优点的新型色散管理器件。本项目的主要研究内容包括：光纤包层的高阶模式色散理论模型研究；大角度倾斜光纤光栅的模式耦合特性研究，探索纤芯模式到高阶包层模高效、精确的耦合方法；开展大角度倾斜光纤光栅的创新设计并制作宽带宽响应的光纤器件。通过开展这种新型色散管理器件机理和工艺技术研究，为全光纤超短脉冲激光技术的应用发展提供关键器件技术支撑。

光纤光栅是一种理想的全光纤器件，可实现多种功能并广泛应用于光纤通信、光纤传感以及光纤激光等领域。其中倾斜光纤光栅尤其是大角度倾斜光纤光栅展现了独特的偏振、模式耦合和光谱特性，具有重要的科研价值和全新的应用潜力。本项目面向超快光纤激光的需求，提出利用大角度倾斜光纤光栅的独特性能，结合光纤的高阶模式特性，设计并研制新型的全光纤器件，并开展了在超短脉冲锁模光纤激光器中的应用。主要研究工作包括：优化了大角度倾斜光纤光栅刻写系统，利用幅度掩模板制作了多个倾斜角大于80度的大角度倾斜光纤光栅；根据相位匹配条件计算了大角度倾斜光纤光栅的耦合波长，分析了大角度倾斜光纤光栅典型的双峰透射光谱，测试了不同折射率介质对大角度倾斜光纤光栅的影响；研究光纤高阶模式特性，通过包层高阶模式有效折射率计算得出光纤包层高阶模式色散特性，选定20-41阶模式，在1微米波段提供负色散；利用大角度倾斜光纤光栅模式耦合特性及光纤包层模式特性，设计了全光纤色散管理器件，色散系数可调为240ps/(nm·km)，带宽4nm；首次利用大角度倾斜光纤光栅模式耦合特性实现了全光纤锁模器件，并基于该器件实现了912fs超短脉冲激光；利用多模光纤模式干涉研制了锁模光纤激光器，实现了310fs超短脉冲激光，并利用多模光纤模式色散特性实现了同一个激光器由孤子锁模到展宽脉冲锁模的切换。本项目的研究成果为倾斜光纤光栅的发展、多模光纤的应用拓展、新型全光纤激光器尤其是大能量多模光纤激光器的研究等提供了关键器件技术支撑和理论实验基础。