基于光纖激光的DFG紅外頻率梳光源關鍵問題的研究結題摘要

本項目研究飛秒光纖激光DFG 紅外頻率梳中的關鍵科學技術問題。項目期間，通過表象變換，建立了一種同步更新迭代的頻域求解耦合廣義非線性薛定諤方程（C-GNLSE）的新算法；研究了被動鎖模全正色散光纖激光器的輸出行為，闡明了腔內色散非線性圖景和光譜濾波帶寬之間的關聯，揭示了腔內色散分布對光纖激光器輸出特性影響的新規(guī)律，在此基礎上，研制了276MHz高重復頻率耗散孤子光纖激光器，并進行了壓縮與光纖放大，用負色散PCF產生出了可用作10-20微米紅外波段DFG基頻光源的倍頻程超連續(xù)譜。針對飛秒脈沖DFG應用要求，設計與加工了GaSe非線性晶體元件。項目在飛秒光纖脈沖產生、放大與超連續(xù)譜產生等方面取得的進展，為發(fā)展飛秒光纖激光DFG 紅外頻率梳紅外相干激光光源、推動飛秒光纖激光與紅外激光變頻的技術進步奠定了理論技術基礎。

本項目研究飛秒光纖激光DFG紅外頻率梳中的基頻同步雙色飛秒脈沖產生、放大以及系統(tǒng)噪聲等關鍵科學技術問題。通過研究飛秒激光脈沖的光纖非線性頻譜搬移技術，獲取能滿足5-20微米波段DFG要求的同步雙色基頻飛秒脈沖產生的新方案；結合脈沖頻譜可控搬移技術，設計與優(yōu)化光纖放大方案，突破光纖放大器帶寬限制，克服光纖非線性效應對脈沖放大的制約，解決同步雙色基頻飛秒脈沖的高效均衡放大的問題；通過研究飛秒脈沖的頻譜搬移和光纖放大附加噪聲產生機制，尋求抑制系統(tǒng)噪聲積累、提高DFG輸出信噪比的有效途徑；以此為基礎，解決基于典型紅外非線性晶體的光纖激光DFG紅外光頻率梳的結構原理與設計方案等問題，掌握關鍵技術。本項研究不僅為發(fā)展紅外相干激光光源、解決紅外光譜技術領域所面臨的光源瓶頸問題開辟一條新途徑，還將大大豐富飛秒光纖激光和紅外激光變頻技術的研究內涵、拓寬其應用，在科學研究與技術進步方面都具有極其重要的意義。

超長結構喇曼光纖激光器與常規(guī)喇曼光纖激光器相比，腔長增加幾個數量級，具有獨特的運轉機制和工作特性，特別是可以依靠隨機分布反饋形成激光振蕩，是以前從未研究過的，而對這種新物理機制的研究將導致多種新型應用技術的產生，例如光信號長距離無損耗傳輸和光纖型隨機激光器。因此我們重點針對輸出模式無序演化、隨機分布反饋致激光激射等新效應提出超長喇曼光纖激光器理論與技術的研究，擬采用雙光柵、隨機分布反饋結構，并首次提出級聯、環(huán)形腔等新結構來構建激光器，研究泵浦光和反饋光柵對輸出激光的影響、瑞利散射所起的作用、超長腔內激光振蕩的形成過程、非線性效應對模式演化的影響等問題，著重發(fā)現超長喇曼光纖激光器具有的新現象、新機制及其在信號傳輸、超連續(xù)譜產生、多波長激射等方面的應用價值。研究內容涉及激光物理、非線性科學、無序系統(tǒng)理論、紊流理論等領域的研究范疇，具有豐富的物理內涵，將開辟一個與諸多學科密切結合的新的研究領域。

超長結構喇曼光纖激光器（UL-RFL）與常規(guī)喇曼光纖激光器相比，腔長增加幾個數量級，具有獨特的運轉機制和工作特性，特別是可以依靠隨機分布反饋形成激光振蕩，是以前從未研究過的，而對這種新物理機制的研究將導致多種新型應用技術的產生，例如光信號長距離無損耗傳輸和光纖型隨機激光器。項目組圍繞研究目標，立足創(chuàng)新，順利完成了各項研究工作，獲得了多項研究成果。主要包括：1. 建立并完善了適用于不同結構、不同泵浦方式UL-RFL的理論模型。2. 建立UL-RDL實驗研究平臺，對雙光柵反饋結構、光柵—Sagnac環(huán)反饋結構UL-RFL進行理論和實驗研究，其中光柵—Sagnac環(huán)反饋結構UL-RFL實現了二級Stokes激光激射，最大輸出功率為65.3mW，斜率效率30%。3. 采用Sagnac環(huán)結構觀察并證實UL-RFL輸出激光具有部分相干性。4. 對連續(xù)光泵浦雙光柵反饋結構UL-RFL產生超連續(xù)譜進行理論研究，給出了超連續(xù)譜產生的物理機制與各非線性效應的演化過程。5. 在對基于雙光柵反饋結構的UL-RFL中光信號的傳輸進行研究時發(fā)現，當光纖長度為100km時，信號功率起伏也僅為1.55dB，而且光纖光柵反射率對信號功率起伏的影響取決于傳輸距離：在腔長大于60千米情況下，信號功率起伏隨光纖光柵反射率增大而增大；在小于60千米情況下，信號功率起伏隨光纖光柵反射率增大而減小。6. 在對隨機分布反饋結構UL-RFL進行理論研究時發(fā)現，當泵浦功率一定時，光纖存在最佳長度，可使前向輸出Stokes激光功率達到最大值。7. 在對偏振光泵浦隨機分布反饋UL-RFL進行理論研究時發(fā)現，偏振光泵浦可將前向輸出激光閾值降低300mW。8. 在進行光纖中渦旋光的產生與傳輸的理論研究時，設計了一種環(huán)形光子晶體光纖，TE01, HE21和TM01模式的有效折射率差分別為4.59x10-4和3.62 x10-4，波長在1550 nm 時, TE01 模式的渦旋光的非線性系數為1.37 W-1?km-1。我們的研究對UL-RFL具有的新現象、新機制及其在信號傳輸、超連續(xù)譜產生等方面的應用價值進行了有益的探索。研究內容涉及激光物理、非線性科學、無序系統(tǒng)理論、紊流理論等領域的研究范疇，具有豐富的物理內涵。 2100433B