一种基于全光化调制技术获取高重频高功率皮秒激光的方法研究

The development of picosecond fiber laser is limited by average power. The average power of pulse laser depends on the single pulse energy and pulse repetition frequency. Single pulse peak power is limited by the nonlinearity effect and light damage. So it is an effective way for the realization of high average power picosecond laser that increasing the repetition frequency of picosecond pulse. The general way to obtain picosecond laser is mode locking. My project wants to explore a new approach to obtain the super-high repetition frequency picosecond pulse using nonlinear optics soliton effect, carrier suppression and light interleave filter technology. Carrier suppression and light interleave filter technology is all-optical modulating technology used for fiber wireless communication. We will explore the fundamental principle of high repetition frequency modulation, research the fundamental rule of modulation nonlinearity growing, and lay a basis for the super-high repetition frequency picosecond fiber laser source with wavelength 1 μm, tunable repetition frequency 20～100GHz, pulse width 10 ps, average power>100 W which can be scaling amplified to hundreds watt.

皮秒光纤激光的发展受到平均功率的限制。脉冲激光的平均功率取决于单脉冲能量和重复频率，而单脉冲峰值功率受到非线性效应、光损伤等因素的限制难以提高。所以增加皮秒脉冲的重复频率是实现高平均功率皮秒激光的一条有效途径。常规皮秒激光一般是通过锁模方法实现。本项目将探索研究利用不同于锁模机制的非线性光学孤子效应，并采用一种原只用于光纤无线通信中的全光化调制技术- - 载波抑制和光交错复用滤波技术，获取超高重频脉冲串。通过开展基于全光化调制技术的超高重频皮秒激光的原理方案和演示试验等的基础性研究，探索高重频调制的基本原理，研究高重频调制非线性增长的基本规律，为设计并研制1 μm波段、重复频率20～100GHz可调、脉冲宽度10 ps量级可控、平均功率>100 W并具有可定标放大至数百瓦能力的全光纤化的超高重频皮秒激光光源打下基础。

激光光源的平均功率，是皮秒激光的薄弱环节。脉冲激光的平均功率取决于单脉冲能量和重复频率，而单脉冲峰值功率受到非线性效应、光损伤等因素的限制难以提高。所以增加皮秒脉冲的重复频率是实现高平均功率皮秒激光的一条有效途径。常规皮秒激光一般是通过锁模方法实现。由于受到腔长的制约，重复频率一般在几十MHz至百MHz量级，难以再提高，而且环境的变化会导致锁模状态的破坏，使得激光器不能有效工作。所以如何增加重复频率是获得高平均功率皮秒激光的关键。除此之外，如何保证高功率皮秒激光的输出稳定、高光束质量、器件结构紧凑、易维护等亦决定了其应用的可行性。本项目探索研究利用不同于锁模机制的非线性光学孤子效应，并采用一种原只用于光纤无线通信中的全光化调制技术—载波抑制和光交错复用滤波技术，获取超高重频脉冲串。通过开展基于全光化调制技术的超高重频皮秒激光的原理方案和演示试验等的基础性研究，探索高重频调制的基本原理，研究高重频调制非线性增长的基本规律，为设计并研制全光纤化的超高重频皮秒激光光源打下基础。项目执行期间，课题组探索研究了高重频皮秒脉冲在非线性光纤中的产生规律。调节合适的工作参数，分析包括调制深度、输入功率以及光纤的长度、色散、非线性等参数对输出脉冲的脉宽、峰值和平均功率、转换效率等的影响，形成了稳定的超高重频皮秒脉冲序列。研究了皮秒脉冲和调制脉冲在不同色散、非线性光纤中的传输和放大理论，并通过搭建光纤激光脉冲放大实验系统，研究皮秒脉冲和调制脉冲的放大和传输规律。基于此项目，课题组在项目执行期间，发表了国内外主流SCI刊物论文9篇，其中JCR 一区论文4篇，二区论文2篇，三区论文3篇；形成和申请3项国家发明专利，并获得一项发明专利的授权。