980nm全光纤飞秒激光器理论及关键技术研究

High power 980nm Yb-doped fiber laser is the ideal substitute for titanium ultrashort laser. Besides, through frequency doubling, the blue-green light about 488nm can be generated, which has important applications in submarine communications and numeral video technology. However, 980nm fiber laser operates on three-level-system, besides, it has strong competition with 1030nm laser operating on four-level-system. Hence, there are many difficulties to generate powerful output at 980nm. In order to solve these problems, we suggest all-normal-dispersion photonic-crystal-fiber (PCF) dissipative soliton mode-locking technology. Using the large-mode-area and endless single mode suported by the PCF to reduce nonlinear effects, flexible dispersion design of PCF to compress pulse duration to femtosecond, SESAM to startup mode-locking, 980nm filter inserted into the cavity to achieve strong pulse shaping which is called dissipative soliton mode lock, at the same time, to prevent 1030nm operation thoroughly. In this project, the process of the pulse shaping, evolvement and filter operation during the mode locking will be studied carefully on theory and experiments. As a result, the mechanism of the 980nm dissipative solition mode locking is explored deeply and new theorical method and technology are supported to realize 980nm high energy mode locking fiber laser.

高能量980nm飞秒掺镱光纤激光器是钛宝石激光器的理想替代产品，而且通过倍频后可以获得488nm左右的蓝绿光，将在海底通信，数字视频技术等领域发挥重要应用。但980nm激光由于运行于三能级系统，而且与1030nm四能级系统存在强烈竞争，所以实现高效锁模运转存在诸多困难。本项目提出采用全正色散腔光子晶体光纤耗散孤子锁模技术来成功地解决这些问题。利用光子晶体光纤提供的大模场面积、无截止单模特性有效降低非线性效应；利用其灵活色散设计实现锁模脉冲的腔外压缩获得飞秒；利用SESAM作为锁模启动元件，腔内插入980nm滤波器实现耗散孤子锁模提高单脉冲能量，同时彻底阻止1030nm起振。本项目将对光纤中脉冲形成过程、演化情况以及滤波器在锁模过程中所起的作用等方面进行详细的理论及实验研究，深入分析980nm光纤耗散孤子锁模激光器的工作机理，为实现980nm高能量光纤锁模激光输出提供新的理论方法和技术。

本项目主要针对980nm新型锁模光纤激光器开展研究，具体分两个方面研究。一、980nm全光纤振荡器及放大器，其中包括：1）全光纤980nm NPR锁模掺镱磷酸盐光纤振荡器及放大器。获得了980nm激光的输出，并且以自制的全光纤980nm NPR锁模激光器作为种子源，经过两级全光纤放大器进行放大，得到脉冲宽度178.10ps，最大输出功率205mW输出。2）全光纤980nm NPR和SESEAM锁模振荡器及放大器，在全正色散980nm锁模掺镱光纤激光器研究中，实现了最大平均输出功率2mW，脉宽6.6 ps，输出光谱中心位于978 nm附近，3dB带宽为4.5nm。经二级全光纤放大后最终获得平均功率684 mW,脉宽165.6 ps输出。3）全光纤线性腔980nm SESAM锁模振荡器及放大器，其振荡器部分分别采用长腔和短腔的形式实现了连续SESAM锁模脉冲输出，其中长腔SESAM锁模输出最大输出功率3.5 mW，脉冲宽度76.27 ps；短腔SESAM锁模得到最大输出功率4.4 mW，脉冲宽度61.15 ps。短腔的SESAM锁模光纤振荡器经过两级放大后锁模脉冲序列稳定，输出功率740 mW。二、980nm光子晶体光纤锁模振荡器及放大器研究。其中包括：1）978nm 1.24ps 超短脉冲大模场光子晶体光纤激光器，研究了一种基于SESAM结合非线性偏振旋转（NPE）的980nm光子晶体光纤被动锁模激光器，振荡器直接输出最大功率为497 mW，直接输出脉冲为1.24ps的脉冲输出。输出频谱为中心波长为977.7nm，具有典型的耗散孤子特点。2) 基于MoS2可饱和吸收体978nm调Q光子晶体光纤激光器,通过利用CVD法制备了具有多层结构的二硫化钼可饱和吸收材料。将其作用在980nm 大模场光子晶体光纤激光中获得了调Q输出，验证了二硫化钼在980nm波段的可饱和吸收作用。3）977nm Bi2Te3被动调Q光子晶体光纤激光器, 设计了利用反射式碲化铋作为可饱和吸收体，大模场面积光子晶体光纤作为增益光纤的被动调Q实验，首次实现了基于拓扑绝缘体的977nm调Q脉冲输出，最大功率为54mW。