光子晶体光纤飞秒激光基础理论和关键技术的研究

在经历了以染料激光为代表的第一代飞秒激光和以钛宝石为代表的第二代飞秒激光之后，以光子晶体光纤为代表的第三代飞秒激光正在孕育之中。本项目主要研究光子晶体光纤飞秒激光器的基础理论和关键技术，以及相关光子晶体光纤的理论分析、设计和研制。包括：光子晶体光纤飞秒激光振荡器中孤子锁模和自相似锁模，两种不同物理机制和动力学过程；飞秒激光放大器中脉冲展宽、放大、压缩三位一体的全部光子晶体光纤化和集成化；飞秒激光在光子晶体光纤中长距离（数十米至百米）无畸变传输的时域和频域中的动力学过程；利用光子晶体光纤的多种非线性效应，实现飞秒激光的高效频率变换；利用理论分析和数值计算，设计和研制用于飞秒激光振荡级、放大级、长距离传输、频率变换所用的多种光子晶体光纤；研究光子晶体光纤光栅制作技术和不同类型光子晶体光纤的精确熔接技术等。

在经历了以染料激光为代表的第一代飞秒激光和以钛宝石为代表的第二代飞秒激光之后，以光子晶体光纤为代表的第三代飞秒激光具有结构简单、集成度高、稳定性好、成本低等优点，已经开始蓬勃发展起来。本项目主要研究光子晶体光纤飞秒激光器的基础理论和关键技术，以及相关光子晶体光纤的理论分析、设计和研制。在光子晶体光纤飞秒激光技术和光子晶体光纤拉制技术方面获得了多项成果，达到了项目中的相关要求，同时在光子晶体光纤飞秒激光技术的应用方面取得了多项突破性进展，超额完成了任务。.深入研究了光子晶体光纤飞秒激光器在负色散区、零色散区、正色散区的锁模动力学过程，实现了大模场面积光子晶体光纤锁模激光器的稳定孤子锁模和耗散孤子锁模。研究了光子晶体光纤飞秒飞秒激光放大器中脉冲展宽、放大、压缩的动力学过程，成功研制了全光子晶体光纤非线性飞秒激光放大器，最高平率功率可达96 W；在低重复频率状态下最高单脉冲能量达到4 μJ。同时提出矢量色散补偿技术和非线性脉冲整形技术，提高了放大器输出脉冲质量。研究了飞秒激光在中空光子带隙光纤中传输的动力学过程。研究了飞秒激光在高非线性光子晶体光纤中传输的非线性过程，实现了高功率超连续光谱输出，并研制成功全光子晶体光纤的紫外相干源。.理论提出了单一种子光的物理模型，研究了多芯增益光子晶体光纤中超模选取与锁定。设计了混合型多芯光子晶体光纤，并数值模拟了多芯光子晶体光纤锁模激光器的锁模动力学过程。国际上首次实现了多芯光子晶体光纤锁模激光器的稳定运转、多芯光子晶体光纤飞秒激光放大器的稳定运转以及多芯光子晶体光纤高功率超连续光谱同相位超模输出。.研究了光子晶体光纤拉制技术。成功拉制出大模场面积掺镱双包层光子晶体光纤，得到了单偏振结构；实现了高非线性光子晶体光纤拉制过程中的精确控制；成功拉制出中空、全固和Bragg型光子带隙光纤。.首次将高功率光子晶体光纤飞秒激光用于多项前沿技术，在微加工、高功率太赫兹波、高功率紫外飞秒激光源、生物光子学等方面都取得了突破性进展。研究了高平均功率飞秒激光在生成纳米颗粒、加工光波导方面的应用；利用频率变换技术，实现了高功率紫外飞秒激光和超快太赫兹输出；在生物光子学方面，研究了利用飞秒激光调控细胞间钙信号传导和对细胞内离子信号的调控以及对绿色荧光蛋白的影响，该工作发表在Nature Photonics。