相干拉曼光谱分子测量用光源的研究

利用相干拉曼光谱进行分子测量，研究物质结构，揭示其瞬态变化过程是目前化学和生命科学等领域新的研究方向。本课题拟研究相干拉曼光谱分子测量用高能量、近变换极限光纤飞秒光源，并用其产生高能量拉曼飞秒光源。光子晶体光纤具有无截止单模、可控色散和非线性及带隙导光等优点。拟采用基于石墨烯饱和吸收体的掺镱正色散光纤激光器作种子源，在大模面积掺镱光子晶体光纤放大系统中实现放大和自相似演化，利用空心光子晶体光纤对放大后的种子光脉冲进行压缩和整形，实现高能量、近变换极限飞秒光脉冲。将其注入高非线性光子晶体光纤，产生高能量飞秒拉曼光脉冲。揭示基于石墨烯光纤锁模激光器高能量光脉冲形成及稳定传输机理，掌握其关键技术；研究利用放大技术得到含线性频率啁啾、无分裂、高能量光脉冲的条件和参数；探讨利用三阶色散和拉曼自频移相互作用提高压缩光脉冲质量的新技术；研究用飞秒激光脉冲产生高能量拉曼光脉冲的机理、条件，优化系统诸参数。

利用氧化刻蚀技术，在FeCl3 溶液中将石墨烯薄膜从衬底上剥离，利用范德瓦尔斯力将该薄膜贴在光纤端面，制备出了石墨烯饱和吸收体。研制了基于石墨稀饱和吸收体的锁模光纤激光器，通过调整偏振控制器的状态和泵浦功率，在掺铒光纤激光器中，得到了束缚态孤子、无序的多孤子、孤子团簇、孤子雨、高阶谐波锁模光脉冲等多种孤子动力学模式；在腔长较长的全正色散掺镱光纤激光器中，得到了亮脉冲、亮暗脉冲对及其谐波锁模、暗脉冲及其谐波锁模，并用数值模拟方法验证了实验结果，揭示了光纤锁模激光器高能量光脉冲形成及稳定传输机理，掌握了其关键技术。理论研究了利用正色散、增益随光纤长度按不同分布函数变化、含三阶色散的光纤放大器产生自相似光脉冲的全过程，利用分离变量方法，得到了同时考虑非线性相移和三阶色散的共同作用时的相位、啁啾和振幅的表达式；利用数值模拟方法，通过非线性相移和三阶色散之间的补偿作用，对发生畸变的脉冲进行压缩，获得了具有较好压缩质量的光脉冲。研究发现，对于较小的三阶色散，存在一个最优的非线性相移与之对应。利用这个最佳值，我们获得了具有最高峰值功率的压缩脉冲，为高能量超短光脉冲的产生、放大与压缩提供了新思路和理论依据。实验研究了被动锁模环形光纤激光器中自相似脉冲的形成过程，得到了稳定的自相似单脉冲及两个或多个自相似脉冲的束缚态。利用光子晶体光纤的高非线性，采用同步泵浦的光参量放大技术，得到了相干反斯托克斯拉曼散射光。研制了基于石墨烯可饱和吸收体的L波段掺Er光纤激光器，获得了中心波长为1598.2nm的超短脉冲及稳定的2-4次谐波锁模光脉冲，为L波段高重复频率光脉冲的产生奠定了实验基础。研制了基于碳纳米管重复频率可控的低泵浦被动谐波锁模掺铒光纤激光器。利用双通M-Z干涉仪，实验实现了波长从1064nm-1104nm可调的双包层可调谐掺镱光纤激光器的稳定运转。