基于混合锁模和孤子自频移的中红外宽带可调谐超快光纤激光器基础研究

Widely wavelength tunable mid-infrared ultra-fast fiber lasers have important applications in scientific research, military, and civilian areas. However, the realization of the mid-infrared mode-locked fiber laser with wide wavelength tunability is still challenging. We propose a novel approach to achieve 3-5 μm wavelength tunable ultra-fast fiber laser with ~100 kW peak power. The approach combines the wavelength extension by using cascaded pumping Er3+ doped fluoride fiber, dynamic characteristics of mid-infrared soliton based on two dimensional materials and nonlinear polarization rotation hybrid mode-locking, mid-infrared chirped pulse amplification, and the nonlinear transmission of mid-infrared ultra-short pulses in infrared passive fiber with high negative dispersion. The proposed approach of realizing wavelength tunable mid-infrared ultra-fast fiber laser with such wide wavelength tunability has never been reported. The involved techniques including hybrid mode-locking, cascaded pumping the gain fiber, and Raman soliton self-frequency shift can be transferred to other pulsed fiber lasers. The research results of this project will promote the development of the mid-infrared ultra-fast fiber lasers.

中红外宽带可调谐超快光纤激光在科研、军事及民用领域有重要应用前景，但在中红外波段实现宽带可调谐的锁模脉冲光纤激光仍然是难题。本项目拟结合级联抽运掺铒氟化物光纤的长波跃迁机制、基于二维材料与非线性偏振旋转混合作用的中红外锁模效应和无源红外光纤中的孤子自频移效应，提出实现中红外宽带可调谐超快光纤激光的新方法，并解决其关键技术难题。研究内容包括多波长级联抽运掺铒氟化物光纤的激光波长拓展机制、中红外混合锁模孤子动力学特性、中红外啁啾脉冲无畸放大机制、大负色散无源红外光纤中的中红外超短脉冲非线性传输机制与波长拓展及调谐，最终实现3-5 μm波段可调谐、峰值功率达~100 kW的超快光纤激光。本项目提出的实现中红外宽带可调谐超快光纤激光的方法未见其他报道，所涉及的混合锁模、级联抽运增益光纤方法、孤子自频移效应是实现中红外超快激光及波长拓展的共性技术，研究结果将促进中红外超快激光技术的发展。

中红外高功率脉冲光纤激光在光谱学、生物医疗、军事、材料加工等诸多领域具有重要应用，鉴于上述领域对中红外宽带可调谐超快光纤激光器的迫切需求，在本项目的资助下，我们围绕中红外宽带可调谐超快光纤激光器，开展了基于多波长复合级联抽运的中红外波段波长可调谐激光的理论研究，首次演示了由 976nm 脉冲半导体激光系统进行增益调制的双波长泵浦掺铒氟化物光纤的 3.5μm 光纤激光器，获得了中心波长为3445.9nm、斜率效率高达 37.7%的脉冲激光输出。同时，我们开展了二维材料/NPR 混合锁模光纤激光器的中红外孤子动力学特性研究，采用不同二维材料作为可饱和吸收体，结合衍射光栅的选择性波长反馈，搭建不同中红外波长的调 Q 及锁模光纤激光器，实现了 3 微米波段不同中红外波长的易于自启动的高性能宽带可调谐的调 Q 脉冲和锁模脉冲的稳定输出。其中，基于单壁碳纳米管宽带可调谐锁模脉冲钬镨共掺光纤激光器实现了12.7MHz 的锁模脉冲 2.9μm 激光输出，波长调谐范围宽达 70nm，是锁模脉冲掺钬光纤激光器目前实现的最宽调谐范围。此外，我们还开展了基于啁啾脉冲放大系统的高峰值功率中红外超短脉冲理论与实验研究，高峰值功率超短脉冲在大负色散高非线性无源红外光纤中的非线性传输机制与波长拓展及调谐研究等，并取得了一系列国际国内较为领先的成果。本项目不仅深化了对中红外脉冲光纤激光器和放大器的认识，还促进了中红外宽带可调谐超快光纤激光器的多种潜在应用。基于上述研究成果，课题组已发表国际学术论文 26 篇（SCI 收录 14 篇，其中包括美国光学学会（OSA）旗下中科院一区顶级光学期刊 Photonics Research 2 篇，中科院二区光学顶刊 Optics Express 5 篇，美国电气和电子工程师协会（IEEE）旗 下 中 科 院 二 区 高 水 平 期 刊 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics1 篇、三区 IEEE Photonics Technology Letters 3 篇），申请及授权国家发明专利共 17 项，其中 11 项已授权。