基于Kerr自清洁技术实现飞秒脉冲准基模光束的时空锁模光纤激光器研究

Spatiotemporal mode-locked fiber laser (SMLFL) is a new research topic in the fields of high power, high energy lasers. In this project, we employ Kerr self-cleaning technique to solve the speckle beam problem of the SMLFL, and obtain high quality, quasi-fundamental-mode beam. The main work includes: (1) The theoretical model of the SMLFL will be established to investigate the buildup dynamics of the mode-locked pulse and the influence of the cavity parameters on the pulse characteristics. (2) We will design and fabricate the novel multimode photonic crystal fiber for realizing the Kerr beam self-cleaning in the laser. (3) Finally, the SMLFL will be constructed and the influence of the cavity parameters on the degree of the Kerr beam self-cleaning will be also investigated in order to achieve high quality pulse beam. Through these investigations, the SMLFL will output the quasi-fundamental-mode beam with pulse width less than 600 fs and beam quality parameter less than 1.8. This project’s development will not only deepen the understanding of the dynamics of the spatiotemporal mode-locked pulse, but also overcome the bad beam quality of the SMLFL to generate high quality quasi-fundamental-mode beam. It will facilitate the applications of the SMLFL in the fields such as industry, scientific research and military. These investigations on SMLFL have important scientific significance and practical application value.

时空锁模光纤激光器是当前高功率、高能量激光技术新的研究方向。本项目基于Kerr自清洁技术实现输出高质量准基模光束的时空锁模光纤激光器，解决目前该类型激光器输出光束截面呈现“散斑”的问题。主要研究工作有：（1）构建时空锁模光纤激光器的理论模型，研究脉冲建立的动力学过程及腔内参数对脉冲时空特性的影响；（2）设计和制备新型多模光子晶体光纤，用于有效调控激光腔内Kerr自清洁的实现；（3）搭建时空锁模光纤激光器，研究腔内关键参数对Kerr自清洁效果的影响，直接产生高光束质量的脉冲激光。通过本项目的研究，获得脉宽小于600fs、光束质量因子小于1.8的飞秒脉冲准基模光束。本项目的开展，不仅能加深对时空锁模脉冲产生的动力学过程的理解，而且可以突破时空锁模光纤激光器在光束质量方面的限制，为该类型激光器在工业生产、科学研究、军事等领域的应用奠定基础，具有重要的科学意义和应用价值。

时空锁模光纤激光技术是当前高功率、高能量激光技术的重要研究课题之一，它有望解决传统单模光纤激光器输出脉冲能量低的难题，具有重要的科学意义和应用价值。但是，当前的时空锁模光纤激光器存在着光束质量差的科学难题，制约着其应用。本项目研究了时空锁模脉冲的模式动力学，揭示了脉冲的建立过程及瞬态非线性特性；在此基础上研究了不同时空锁模技术对脉冲性能的影响，通过非线性放大环形镜（NALM）技术结合光束Kerr自清洁，获得了飞秒脉冲准基模光束。同时，研究了时空锁模激光器的多功能特性。主要工作有：. （1）时空锁模脉冲的模式动力学研究。基于多模时域拉伸技术从理论和实验两方面研究了时空锁模脉冲的建立过程以及脉冲脉动特性，发现不同的横模或模组之间存在同步和异步两种情况。分析了线性损耗和泵浦增益对脉动状态变化的影响，获得了多种类型锁模脉动。研究了双波长时空锁模脉冲的碰撞、爆炸与脉动状态切换的瞬态动力学。. （2）时空锁模飞秒脉冲准基模光束的产生。分别构建了基于材料可饱和吸收体和类可饱和吸收体的时空锁模光纤激光器，产生了高光束质量的时空锁模脉冲。借助NALM的可饱和吸收特性可调与损伤阈值高的优点，利用Kerr自清洁效应实现了脉宽580fs、光束质量因子<1.4的飞秒脉冲准基模光束。此外，研究了腔外光束Kerr自清洁效应，首次提出采用双锥形多模微纳光纤来降低光束 Kerr 自清洁的阈值，在短光纤长度上将高阶模式占主导的1.0 µm高功率脉冲光束清洁为准基模光束。. （3）高能量调Q锁模脉冲的产生。研制了低成本、高非线性石墨烯包覆多模微纳光纤器件，构建了不同光纤类型和波段的调Q锁模多模光纤激光器，其调Q锁模脉冲包络能量可达434.5nJ。. （4）多功能特性研究。在时空锁模光纤激光器中，实现了波长和脉冲类型可调谐、窄线宽以及多波长的功能。. 本项目的研究不仅有助于加深对时空锁模光纤激光器物理机制的理解，而且为突破时空锁模脉冲在光束质量方面的限制提供了一种结构简单、成本低廉的技术方案。