基于非线性镜锁模的中红外超快激光器理论及实验研究

Ultrafast lasers in Mid-IR range have important applications in fields of spectroscopy, medicine, military affairs et. al. The commonly-used way to obtain this type of laser sources is by techniques of optical parametric oscillation or mode-locking (saturable absorbers, nonlinear polarization rotation). Nonlinear mirror mode-locking is a type of passively mode locking, a method to compress pulse using Kerr-like effect, and a new route to generate the Mid-IR laser sources. Nonlinear mirror mode-locking based on optical superlattices has many advantages such as: large modulation depth, high damage threshold and flexible design. In the proposed project, the nonlinear mirror mode-locking is used to realize Mid-IR ultrafast laser. Theoretically, the interaction between light and media will be analyzed by using coupled wave equations to simulate the mechanism of nonlinear mirror mode locking. Experimentally, the Erbium ion doped laser media will be used as the gain media, and stable, compact femtosecond Mid-IR laser will be realized by optical superlattices nonlinear mirror mode locking.

中红外超快激光在光谱学、医学、军事等方面有着重要应用，正引起人们越来越多的关注和研究兴趣。目前，中红外超快激光通常由光参量振荡，或由可饱和吸收体、非线性偏振旋转镜通过锁模技术产生。非线性镜锁模技术是近些年新发展的一种被动锁模技术，是通过类克尔效应实现锁模、压缩脉冲的一种方法，是获得中红外新波段光源的一种新技术途径。基于光学超晶格的非线性镜锁模具有调制深度大、损伤阈值高、设计灵活等特点，针对中红外激光稳定性、系统复杂的问题能够提供适当的解决方案。本项目拟使用超晶格非线性镜锁模技术，利用掺铒激光介质，实现中红外超快激光输出。理论上，通过由广义非线性薛定谔方程构建的耦合波方程组，分析光与物质的相互作用过程，模拟非线性镜锁模的动力学过程；实验上，发挥光学超晶格损伤阈值高、群速失配小、倍频效率高、设计灵活的优势，利用掺铒激光介质，结合光学超晶格非线性镜锁，实现系统稳定、小型化的飞秒中红外激光器。

通过本项目，我们建立了一套模拟非线性镜锁模动力学过程的完整理论系统，该系统不仅应用于中红外波段，还可应用于透光范围内的其它任意波段。通过实验掌握了非线性镜锁模的运行机制，确定了稳定、高效锁模的条件。利用非线性镜锁模对光场时域进行调控，实现了皮秒量级、平均功率瓦量级的中红外超快激光。. 理论上，模拟了光场经过激光增益介质、非线性晶体时的动力学过程，建立了脉冲演化轨迹。模拟了基频光非线性反射率和脉冲压缩因子随腔内功率密度的变化、由量子噪声开始至脉冲稳定的动力学过程及输出镜反射率变化时腔内功率密度和脉冲时间的变化。腔内功率密度越高，非线性反射率越高，脉冲压缩越明显。腔内由量子噪声起振，经过多次振荡后稳定的过程，最小脉冲宽度为431fs。实验上，利用Tm:YLF激光晶体为增益介质，采用四镜激光谐振腔，利用非线性镜锁模，获得了最高功率1.9W的中红外超快激光，脉冲持续时间为12ps。. 此外，我们还研究了2μm中红外自调Q涡旋激光。由于Tm:YAP晶体具有很好的自Q调性能，利用其热透镜效应，获得了自调Q涡旋激光。涡旋光束最高功率达到83mW，最大重复频率为75.458kHz，最短脉冲时间为1.71 μs，对应单脉冲能量和峰值功率分别为1.10μJ和0.643W，中心波长在1937.9nm。. 实验所获得的中红外超快激光在军事、医疗、遥感等领域有着潜在的重要应用价值。尤其在军事领域，通过对分子的光谱探测实现大气监测，及利用红外激光制导，对目标进行探测、跟踪，实现光电对抗。