光纤扩芯中的光学特性调控及其在高功率飞秒激光产生中的应用研究

High power femtosecond fiber laser sources have many important potential applications in a number of research fields, such as biomedical and ultra-precision manufacturing. However, the easy damage of the resonance surface and low output power from the mode-locked fiber oscillator are the key influence factors for the improvement of the signal to noise ratio of the high power femtosecond fiber laser amplifier and performance stability. This project is mainly focused on the research of the regulation and control of the optical properties of the polarization-maintaining (PM) expanded core fiber with an emphasis on its application to the high power high reliability all-fiber femtosecond laser generation. We will conduct a systematically study on PM expanded core fiber, and reveal the change rule of its performance parameters (mode-field area, polarization extinction ratio, nonlinearity, dispersion, and laser gain). Simultaneously, the influence mechanism of the optical characteristics of the PM expanded core fiber will be revealed and the corresponding control technology will be developed based on the ion diffusion theory. Further, experiment study on the generation of the high power all-PM fiber mode-locked femtosecond laser will be explored based on the expanded core PM-fiber, and its high power laser performance will be manifested. Additionally, laser pulses with average power as high as 3 W and pulse duration as short as 100 fs and 0.4% RMS power fluctuations over a period of 168 hours will be realized. The implementation of the project will provide the key theoretical and technique support for the laser parameter scaling and reliability improvement of the femtosecond fiber laser and has important research significance.

高功率飞秒光纤激光源在生物医学与超精密极端制造等多种领域具有潜在的重要应用价值。然而，锁模光纤激光振荡器低的输出功率与谐振面易损伤等缺陷成为限制高功率飞秒光纤激光放大器输出信噪比提升与性能稳定性的重要因素。本项目主要开展锁模激光振荡器谐振面光纤扩芯中的光学特性调控技术研究，重点探索其在高功率高可靠性全光纤锁模飞秒激光产生中的应用。拟基于离子扩散理论，探究由离子扩散引起的扩芯对谐振面保偏光纤模场面积、偏振消光比、非线性、色散及激光增益等光学性能的影响规律，阐明其影响机理，发展相应的光学特性调控技术。在此基础上进一步开展高功率全光纤锁模飞秒激光产生技术研究，探索光纤扩芯后的激光特性，实现平均功率3 W、脉冲宽度100 fs、功率抖动(7×24小时)≤0.4%RMS的线偏振激光输出。本项目为高功率飞秒激光研究领域中的输出激光参数扩展与可靠性提升研究提供了有价值的理论与技术支持，具有重要研究意义。

高性能飞秒光纤激光与相关技术的融合发展形成了一系列新型交叉学科，为人类认知世界和改造世界提供了大批新工具。在脑科学与类脑研究领域，新型高性能飞秒光纤激光为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标提供了有效手段。依据《中国制造2025》，超短脉冲激光技术已成为国家战略高技术和先进制造的基础。高性能飞秒光纤激光复杂微结构高精密制造技术被认为是促进航空航天领域发展的跨越性技术，是现代工业体系发展的必然趋势。. 其中，锁模光纤激光种子源作为高性能飞秒光纤激光的前端核心模块，其输出性能对整个激光系统的输出与可靠运行有决定性作用，是实现高功率、高可靠性飞秒光纤激光源的前提和保证。然而，锁模光纤激光种子源低的输出功率、抗环境干扰性差与谐振面易损伤等缺陷是目前限制飞秒光纤激光输出信噪比提升与性能稳定性的重要因素，成为高功率飞秒光纤激光源前沿应用存在的共性关键科学问题。. 本项目开展了锁模光纤激光种子源谐振面光纤扩芯技术研究，重点探索了大模场面积光纤在高功率大能量飞秒激光产生中的应用。项目主要研究内容包括高功率短脉宽飞秒光纤激光锁模技术、高功率大能量飞秒光纤激光放大技术与宽波段可调谐飞秒光纤激光产生技术研究。通过解决高功率锁模光纤激光器与放大器光路设计、非线性相位控制、色散控制与补偿等关键科学问题，先后分别实现了最短脉宽85fs、最高锁模平均功率9W、最高峰值功率54.8kW、最大单脉冲能量100μJ、及波长调谐范围900-1290nm的研究结果，实现了项目预期研究目标。同时，在本项目的支持下，以渐变折射率多模光纤为研究对象，也开展了高功率大能量全光纤锁模器件及应用研究工作，并首次在1μm波段获得了类噪声与束缚孤子态等超短脉冲的产生。本项目为高功率飞秒激光研究领域中的输出激光参数扩展与可靠性提升研究提供了有价值的理论与技术支撑，具有重要的研究意义。