基于光频梳的高功率窄线宽超宽带线性调频激光光源研究

The mechanism and key technology of the generation of ultra-broad band LFM laser signal based on the step frequency from the high stable laser comb are studied. First of all, the physical mechanism of nonlinear effects and their interaction of narrow linewidth continuous laser pumped Kerr micro ring are researched theoretically, and high repetition rate, wide spectrum, narrow linewidth laser frequency comb generation technology are experimental studied. Secondly, the tunable filter is used to obtain time-frequency step synthetic laser signal, and the step synthetic linear frequency modulated (LFM) laser signal is generated by single side band double parallel Mach-Zehnder modulator. Finally, the laser linewidth broaden in high power fiber amplifier is studied and the corresponding theoretical model of the laser linewidth is established, and the laser linewidth of step synthetic LFM laser signal compression technology in high power fiber amplifier is experimentally studied. The output laser power of ultra-broad band step synthetic LFM laser is more than 100W, the frequency modulation bandwidth is greater than 1THz, and the laser line width is less than 10kHz. The research of this project will provide ultra-broad band laser sources for synthetic aperture lidar, remote coherent measurement and optical fiber sensor, and promote the rapid development of technology applications in these fields.

研究基于高稳定激光频梳的步进频率合成超宽带线性调频激光信号产生的机理和关键技术。首先，从理论上研究窄线宽连续激光抽运克尔微环的非线性效应及其相互作用的物理机制，实验研究高重频、宽光谱、窄线宽激光频梳产生技术；其次，实验中采用可调谐滤波器对频率梳进行滤波，获得时间-频率步进合成激光信号，并采用单边带双平行马赫曾德尔调制器产生频率步进合成的激光线性调频信号；最后，研究窄线宽高功率光纤放大器中激光信号的线宽展宽，建立线宽展宽的理论模型，并实验研究高功率光纤放大器中频率步进合成的激光线性调频信号线宽的压缩技术，实现激光功率大于100W，调频带宽大于1THz，激光线宽小于10kHz的超宽带步进合成的线性调频激光输出。本项目的研究将为合成孔径激光雷达、远距离相干测量和光纤传感等领域提供超宽带光源，促进这些领域的技术应用快速发展，研究意义重大。

本项目的研究主要为了解决目前激光测距中距离和分辨率的相互矛盾，通过研究高功率宽带调频激光光源能够实现远距离、高分辨率激光测距和成像。项目执行期间主要研究内容包括：理论上，研究了片上光频梳稳定输出的机理和孤子光频梳腔内转换和形成原因，研究了频梳频率调谐的方法和腔内非线性效应对孤子频梳产生的影响。建立了基于单频激光抽运的克尔微环光频梳产生重复频率可调谐窄线宽激光的理论模型，理论分析了光频梳重复频率稳定性、孤子脉冲产生和演化过程，能够实现10GHz~40GHz的频率调谐。实验上，完成了单频窄线宽激光抽运克尔微片光频梳的产生，实现了稳定的重复频率为26GHz、光谱带宽大于100nm、光频范围远大于1THz的光频梳激光输出。实验研究了单周期分布反馈激光器调频技术，实现了大于10GHz带宽的线性调频激光信号输出。研究了窄线宽激光线宽和噪声测量技术，基于延时自外差技术，提出一种长短延时光纤联合校正的算法，消除干涉项对线宽测量的影响，实现了线宽测量精度小于1kHz，并对高功率窄线宽激光线宽的进行了测量；通过非对称迈克尔逊光纤干涉相位测量技术的研究，实现了测量范围10Hz~10MHz的窄线宽激光相位噪声的测量和分析。理论和实验研究了窄线宽激光信号在高功率光纤放大过程中的线宽加宽机理；实验中，通过高功率级联光纤放大器对窄线宽激光信号进行功率放大，获得平均功率大于51.3W，线宽小于1kHz的激光输出。通过本课题的研究，在高功率窄线宽激光产生、信号线宽和噪声测量、高重复频率光频梳、线性调频激光光源等方面取得了一定的进展，部分研究成果在高精度相干探测和测量领域获得了应用，这些工作将推动下一步该学科的发展和相关技术的应用。