偏振随机部分锁模光纤激光器相干调控技术研究

Due to its unique stochasticity and low coherence, partially mode-locked fiber laser has important applications in private communication, smooth optical supercontinuum generation, and optical coherence tomography et al. Limited by the low damage threshold of conventional saturable films, partially mode-locked fiber laser based on nonlinear micro/nano-materials has rarely been reported, and the physics behand is unclear. Besides, conventional incoherent modulation effects with electric field or optical field on saturable materials can not tune the partial mode-locking process with easiness. Although the random polarizations of partially mode-locked laser, especially its tunable stochastic degree, is vital in increasing the bandwidth of private optical communication, the relevant investigation has been seldom reported. Here, we enhance the thermal damage threshold of the fabricated saturable absorber substantially based on photonic crystal fiber interacting with graphene through ultraweak evanescent field. Together with double-cladding gain fiber, we propose to fabricate partially mode-locked fiber laser with random polarizations based on vector four-wave-mixing among parametric instability sidebands, and to tune its dynamics through coherent modulation of graphene. The obtained results can not only help to reveal mechanism of nonlinear interplay of various longitudinal modes in high nonlinear and strong dissipative fiber cavity, but also provide a new promising method for polarization-randomized fiber laser source with controllable performance.

部分锁模光纤激光器以其独特的随机性和低相干性在保密通信、平滑超连续光谱、光学相干成像等方面具有重要应用价值。受传统可饱和吸收薄膜热损伤阈值低的限制，基于非线性微纳材料的部分锁模光纤激光难以产生，具体物理机制有待探索。传统电场或光场对可饱和吸收材料的非相干调制效应难以灵活地调控部分锁模过程。然而，部分锁模激光的随机偏振特性，特别是能够调控的随机度，对进一步提高保密光通信的带宽具有重要意义，但现阶段关于此研究报道极少。本项目提出利用超弱倏逝场光子晶体光纤与石墨烯结合，可以极大提高可饱和吸收体的热损失阈值，并结合双包层增益光纤，通过参量不稳定增益边带中级联的矢量四波混频产生具有随机偏振态的部分锁模激光。进一步，拟利用石墨烯的相干调制效应对部分锁模动力学过程进行准确快速地调控。研究成果有助于揭示高非线性、强耗散激光腔内中各纵模相互作用的机理，也为可调偏振随机光纤激光器提供了一种新的方法。

本项目建立了部分锁模光纤激光器理论模型、建立了石墨烯相干布居振荡模型，在此基础上实现部分锁模光纤激光器相干全光调控。在3年的研究周期内，完成了任务书中的相关目标，发表SCI论文13篇，申请专利3项。培养了2名研究生，并参加3次国际学术会议。研究成果有助于揭示高非线性、强耗散激光腔内中各纵模相互作用的机理，也为可调偏振随机光纤激光器提供了一种新的方法。.具体包括：.（1）提出部分锁模光纤激光器的形成过程：首先连续波由于调制不稳定产生多级参量下转换边带，随后由于四波混频的过程导致部分锁模激光的产生。提出与偏振态相关的势井用于解释随机偏振态的产生。.（2）利用流体模型对部分锁模光纤激光器的输出特性进行研究。发现部分锁模光纤激光系统从laminar到turbulence 状态的演化具有概率性。此演化过程受高功率下的多波混频影响。在此过程中，定义了optical puff概念，并发现了光学turbulence在产生过程中的临界现象。.（3）提出在非线性光学系统中，当系统的相干性降低时，其偏振域上将出现诡波行为。该概念表征了新的频率分量的对应偏振态出现的位置和概率不符合高斯分布，表征非线性系统中偏振诡波的独特机制。在部分锁模激光、耗散孤子激光、和超连续谱中分别发现了偏振诡波现象。.（4）发现了石墨烯在相干光作用下的布局振荡效应，并借此实现了实现利用0.5mW的弱激光对激光腔内参量不稳定进行相干调制（非相干光调制需要激光功率大于50mW）。.（5）项目组首次提出了基于石墨烯光热效应的超快激光脉宽调谐技术，实现了脉宽20ps-30ps的线性光控精细调谐。同时结合声光光栅作为滤波器件，实现了32nm的中心波长调谐。