高能量大带宽耗散孤子光纤激光系统的理论和实验研究

High-energy broadband pulses (HBPs) can find important research values and immense applications. So far, since pulses always encounter wave breaking (WB) under strong nonlinear effects, the realization of HBPs becomes really a challenge. The pulse energy is typically limited to less than 0.1nJ in traditional anomalous-dispersion soliton fiber laser by the soliton area theorem. A novel kind of dissipative solitons (DSs) that exists in nonlinear systems shows distinct physical characteristics from the conventional solitons. The balance between the gain and loss plays an essential role in the DS forming process. It can tolerate strong nonlinearity without WB, which contributes to the realization of high-energy pulses. In this submitted project a nonlinearity-management technique is proposed, for the purpose of investigating the generation, evolution, and amplification of high-energy DSs, as well as the key method to avoid the WB effect limiting pulse energy under ultra-large dispersion and nonlinearity conditions. The pulse energy directly outputted from the laser cavity can reach 1000 nJ, which is four order of magnitude larger than the conventional soliton. After amplification and compression, the pulse energy, bandwidth, and peak power of the DS can be beyond 1000μJ, 100nm, and 1MW, respectively. Based on the experimental and theoretical research, the generalized theoretical model of wave-breaking-free pulse lasers will be established, for the benefit of exploring the novel highly-integration, super-stable, high-power, and all-fiber optical pulse sources, as well as providing theoretical principle for physical mechanism and optical characteristics of high-energy solitons under extreme conditions.

高能量宽带脉冲具有重要的科研意义和应用价值。目前实现高能量宽带脉冲的难题在于在强非线性作用下脉冲将发生光波分裂。受孤子面积理论限制，传统负色散孤子光纤激光器输出能量较低，一般小于0.1nJ。而新型的耗散孤子脉冲存在于非线性系统中，其物理特性完全不同于传统孤子，其形成过程中增益和损耗的平衡起主导作用，能够容忍更高的非线性，从而实现高能量输出。本项目采用非线性管理技术，探索高能量耗散孤子的产生、演化和放大过程，研究消除光波分裂效应限制脉冲能量的关键技术。激光腔直接输出脉冲能量可达1000nJ，比传统孤子提高一万倍以上；经放大和压缩后能量达到1000μJ以上,带宽达到100nm以上,峰值功率达到MW级。通过实验与理论相结合，建立无波分裂脉冲激光器的广义理论模型，探索新型高集成、高稳定、高功率、全光纤化光源技术的有效途径，为极端条件下高能量孤立波的物理机理和光学特性研究提供理论依据。

超短激光脉冲的飞速发展给相关科学研究带来了巨大的积极影响，它使人们能够观察到自然界中更快的现象。超短脉冲光纤激光器是目前国际上前沿研究和高技术竞争的焦点，具有重要的科研意义和应用价值。尽管已获得诸多进展，总体而言光纤激光器在许多关键物理参数上仍然落后于固体激光器。此外，其多功能性和可调谐性也成为制约其实际应用的瓶颈问题之一。因此，如何提高激光器性能，掌握和利用超短脉冲光纤激光高峰值功率下的复杂非线性，开展高能量、大带宽光纤锁模激光应用关键技术研究，成为了光纤脉冲激光新现象和实现技术突破的重大科学问题。. 目前实现高能量宽带脉冲的难题在于强非线性作用下脉冲将发生光波分裂。传统负色散孤子光纤激光器输出能量较低（典型值小于0.1nJ）。而且，由于受脉冲产生传统理论思维以及锁模材料和技术的限制，通常情况下锁模光纤激光器面临用途单一、费效比过高的问题。而新型的耗散孤子存在于非线性系统中，物理特性完全不同于传统孤子，其形成过程中增益和损耗的平衡起主导作用，能够容忍更高非线性从而实现高能量输出。并且，随新型耗散孤子脉冲产生理论的提出和纳米锁模材料的蓬勃发展,使得人们看到了解决该问题的曙光。. 本项目基于非线性管理技术，探索了多种耗散孤子的产生和演化过程，研究了消除光波分裂效应限制脉冲能量的关键技术。并利用碳纳米管和石墨烯等新型纳米锁模材料和技术，系统地研究了更复杂腔型结构和更丰富非线性效应条件下光纤激光脉冲的产生机理和物理特性，实现了单台激光光源可输出类型多样化、波长数量多、时域调谐广的高能量超短脉冲。例如，实现了从7 GHz到1100 GHz可调谐的超高重复频率超短脉冲输出；通过腔内引入环形器及CFBG等，获得了大光谱范围内可调谐的多波长脉冲；不同输出端口及运转方向上同时输出飞秒、皮秒量级传统孤子和耗散孤子脉冲等；发现了放大过程中非线性效应可有效地对高能量宽带无波分裂脉冲进行压缩，从而能够在实现高能量的同时实现超短输出等现象。通过实验与理论相结合，建立了无波分裂脉冲激光器的理论模型，积极探索了新型高集成、高稳定、多功能、可调谐超短脉冲光纤激光光源的有效实现途径，为新一代高能量锁模脉冲激光理论体系的构建及其现实应用的促进提供了创新思想和技术支撑。