基于大芯径多模光纤的高功率可调谐锁模激光器研究

Output average powers and pulse energies of the mode-locked fiber lasers based on single-mode fiber are limited by the small fiber core. In this project, we propose the use of Yb-doped large-mode-area double-clad multi-mode fiber, mode controlling and selecting techniques, and spectral filtering techniques for the generation of high power, wavelength continuously tunable, all normal dispersion mode-locked ultrafast pulses. Pulse shape mechanism of dissipative solitons and their dynamic process in the multi-mode fiber will be investigated theoretically. In the experimental researches, we will focus on the key techniques about the suppression of high modes, all-normal-dispersion mode-locking in the large-mode-area fiber and wavelength tuning. By exploiting the combined action of nonlinear polarization evolution and a spectral filter for self-amplitude- modulation, and a grating-slit configuration for spectral filter and wavelength tuning, our goal is to realize stable all-normal-dispersion dissipative soliton mode-locking in multi-mode fiber. Our researches have an important significance to understand the all normal dispersion mode-locking mechanism in the multi-mode fiber, and develop a new practical approach to generate high power, wavelength tunable femtosecond laser.

基于普通单模光纤的锁模激光器由于纤芯直径较小，限制了其输出功率和脉冲能量。本项目创新性地结合大芯径双包层掺镱（Yb）多模光纤、模式控制与选择技术以及光谱滤波技术，支持高功率、波长连续可调谐的全正色散锁模激光输出。我们将针对多模光纤中耗散孤子脉冲的成型机制及其动力学过程进行探索分析，深入研究光纤中高阶模抑制、大芯径光纤全正色散锁模以及波长可调谐等关键技术的实现。拟采用非线性偏振旋转和光谱滤波技术相结合提供有效的自振幅调制支持稳定的锁模，利用光栅-狭缝结构实现光谱滤波与波长调谐，最终实现多模光纤的全正色散耗散孤子锁模。本项目研究对于揭示多模光纤的全正色散锁模的机制与规律具有重要意义，同时开辟了一条利用大芯径光纤获得高功率可调谐飞秒激光的实用化途径。

波长可调谐的超短脉冲激光在泵浦探测、超快光谱技术以及光与物质相互作用等领域中具有重要的应用，应用领域的快速发展也迫切地需要一种同时具有高平均功率、大脉冲能量，且波长可调谐的超短脉冲激光器。近年来迅速发展的光纤激光技术以其优良的性能正逐步取代传统的固态激光技术，成为产生超短脉冲激光的理想选择。本项目以大芯径双包层掺镱（Yb）多模光纤作为增益介质，采用非线性偏振旋转技术（NPE）结合光谱滤波实现了波长可调谐的全正色散锁模。具体研究了：(1) 在理论方面，对大芯径光纤的超短脉冲传输与产生进行了数值模拟，考虑色散、非线性、光谱滤波等参数对超短脉冲传输的影响，研究了大模面积全正色散锁模的条件和原理；（2）利用弯曲损耗进行多模光纤的高阶模式抑制，以多模光纤获得了近基模的激光输出；（3）实验工作，利用非线性旋转技术结合光谱滤波实现了多模光纤的全正色散耗散孤子锁模，实验中还设计了一种独特的光栅-狭缝结构，来实现激光器的光谱滤波和波长调谐功能。该光纤激光振荡器直接输出超短脉冲激光平均功率可达8.2 W、重复频率为76.7 MHz，单脉冲能量超过100 nJ，直接输出脉冲宽度为1.1 ps，可在腔外进行色散补偿压缩脉冲宽度至210 fs。利用光栅-狭缝结构的巧妙设计，通过调节光栅的角度，可实现输出波长的大范围谐调，调谐波长覆盖1018 nm-1075 nm范围。本项目的研究突破单模光纤的限制，掌握了利用多模光纤实现锁模的技术与方法，对于实现高功率锁模光纤技术的发展有着重要的意义。这种激光器还在超快光谱技术、飞秒激光微纳加工、生物医学成像等领域具有广泛的应用价值，尤其是需要光源波长与研究介质的吸收或透过波长相匹配的应用领域。