结构化波导设计增强GHz飞秒超短脉冲锁模克尔效应的理论与实验研究

基本信息
批准号:61905247
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:24.00
负责人:林海枫
学科分类:
依托单位:深圳大学
批准年份:2019
结题年份:2022
起止时间:2020-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:
关键词:
锁模高重复频率波导结构波导激光克尔效应
结项摘要

Mode-locked femtosecond lasers with repetition-rates in excess of 1 GHz have many applications in areas such as industrial, medical, scientific research and military fields. However, within multi-GHz repetition-rates the relatively low intracavity pulse energy would enormously weaken Kerr-effect of the gain medium, which is detrimental to shortening the pulse duration of mode-locked lasers with a broad spectrum. Currently the pulse durations of mode-locked lasers with high repetition-rates are still on the order of picosecond, which are far away from the transform-limit of laser spectra. In this project, we will use the waveguide structure with special design to replace the bulk medium, providing a stronger Kerr-effect and self-phase-modulation in the gain medium. In order to balance the dispersion management intra-cavity, in this project we will employ x-standard shape cavity to separately control the repetition-rate and group delay dispersion instead of ultra-compact linear cavity. Our aim is to achieve gain bandwidth Fourier-transform-limited femtosecond laser pulse in multi-GHz repetition-rates by inserting in the group delay dispersion compensation elements, which has a smooth variation in a broad spectrum range. The development of this project is promising to realize femtosecond laser pulse within few optical-cycles in multi-GHz repetition-rates, providing coherent optical source in practical applications with self-owned intellectual property.

高重复率(>GHz)的飞秒脉冲相干光源在频率梳测量,光通信,激光雷达,光学制样非线性显微技术等领域具有显著的应用优势。但过高的重复频率会大幅降低激光的单脉冲能量,从而相应地减弱由克尔效应导致的光谱展宽,极大限制了GHz飞秒激光的脉冲宽度,目前的高重频飞秒脉冲光源普遍仅达到亚皮秒量级,远未达到增益带宽极限。本项目提出精确设计结构化波导,替代传统的块状激光材料,增强激光介质的克尔非线性效应和光谱自相位调制,实现增益带宽极限的锁模激光发射;为解决紧凑线型腔导致的色散管理困难问题,项目拟采用折叠腔型分离控制重复频率和色散管理,引入宽波段范围变换平缓的色散补偿元件,最终产生近增益带宽限的GHz飞秒脉冲激光。项目研究成果,有望在GHz超短激光振荡器中实现若干光学周期的飞秒脉冲,从而为应用领域提供一种具有自主知识产权的高重频飞秒相干光源。

项目摘要

GHz量级的高重复率超快激光脉冲,可直接从紧凑型锁模激光系统获得,在天文学、基于频率梳的精密计量学、集成芯片光子学等各种科学应用中引起极大关注。本项目在完成波导主体材料常规锁模超短脉冲表征的基础上,结合波导尺寸和高重频谐振腔设计,理论计算材料的非线性光克尔效应强弱。本项目采用了飞秒激光直写的方法来制备波导样品,在钨酸镁(MgWO4)晶体表面制备了三种不同包层尺寸的通道波导。该方法基于将飞秒激光束聚焦在透明材料内的小体积内,导致受损区域的部分非晶化,从而导致永久折射率变化。本项目采用了折叠腔型来进行高重频(GHz)锁模实验,在优化连续激光输出性能之后,将全反镜替换成可饱和吸收镜(SESAM),调整折叠腔和增益介质以及SESAM之间的距离,改变波导层内和SESAM上的腔模大小,以达到启动SESAM辅助克尔透镜锁模的机制。目前在引入负色散量-3700fs2和SESAM的实验条件下,获得重复频率1.13GHz,最短脉冲宽度为357fs的超短脉冲输出。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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