基于光纖激光的DFG紅外頻率梳光源關(guān)鍵問題的研究項(xiàng)目摘要

本項(xiàng)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(chǎn)生、放大以及系統(tǒng)噪聲等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。通過研究飛秒激光脈沖的光纖非線性頻譜搬移技術(shù)，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(chǎn)生的新方案；結(jié)合脈沖頻譜可控搬移技術(shù)，設(shè)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(yīng)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(chǎn)生機(jī)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(chǔ)，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(jié)構(gòu)原理與設(shè)計方案等問題，掌握關(guān)鍵技術(shù)。本項(xiàng)研究不僅為發(fā)展紅外相干激光光源、解決紅外光譜技術(shù)領(lǐng)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(shù)的研究內(nèi)涵、拓寬其應(yīng)用，在科學(xué)研究與技術(shù)進(jìn)步方面都具有極其重要的意義。

本項(xiàng)目研究飛秒光纖激光DFG 紅外頻率梳中的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。項(xiàng)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(nèi)色散非線性圖景和光譜濾波帶寬之間的關(guān)聯(lián)，揭示了腔內(nèi)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(chǔ)上，研制了276MHz高重復(fù)頻率耗散孤子光纖激光器，并進(jìn)行了壓縮與光纖放大，用負(fù)色散PCF產(chǎn)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(yīng)用要求，設(shè)計與加工了GaSe非線性晶體元件。項(xiàng)目在飛秒光纖脈沖產(chǎn)生、放大與超連續(xù)譜產(chǎn)生等方面取得的進(jìn)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(shù)進(jìn)步奠定了理論技術(shù)基礎(chǔ)。

超長結(jié)構(gòu)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(shù)量級，具有獨(dú)特的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制和工作特性，特別是可以依靠隨機(jī)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(jī)制的研究將導(dǎo)致多種新型應(yīng)用技術(shù)的產(chǎn)生，例如光信號長距離無損耗傳輸和光纖型隨機(jī)激光器。因此我們重點(diǎn)針對輸出模式無序演化、隨機(jī)分布反饋致激光激射等新效應(yīng)提出超長喇曼光纖激光器理論與技術(shù)的研究，擬采用雙光柵、隨機(jī)分布反饋結(jié)構(gòu)，并首次提出級聯(lián)、環(huán)形腔等新結(jié)構(gòu)來構(gòu)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(nèi)激光振蕩的形成過程、非線性效應(yīng)對模式演化的影響等問題，著重發(fā)現(xiàn)超長喇曼光纖激光器具有的新現(xiàn)象、新機(jī)制及其在信號傳輸、超連續(xù)譜產(chǎn)生、多波長激射等方面的應(yīng)用價值。研究內(nèi)容涉及激光物理、非線性科學(xué)、無序系統(tǒng)理論、紊流理論等領(lǐng)域的研究范疇，具有豐富的物理內(nèi)涵，將開辟一個與諸多學(xué)科密切結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。

超長結(jié)構(gòu)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(shù)量級，具有獨(dú)特的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制和工作特性，特別是可以依靠隨機(jī)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(jī)制的研究將導(dǎo)致多種新型應(yīng)用技術(shù)的產(chǎn)生，例如光信號長距離無損耗傳輸和光纖型隨機(jī)激光器。項(xiàng)目組圍繞研究目標(biāo)，立足創(chuàng)新，順利完成了各項(xiàng)研究工作，獲得了多項(xiàng)研究成果。主要包括：1. 建立并完善了適用于不同結(jié)構(gòu)、不同泵浦方式UL-RFL的理論模型。2. 建立UL-RDL實(shí)驗(yàn)研究平臺，對雙光柵反饋結(jié)構(gòu)、光柵—Sagnac環(huán)反饋結(jié)構(gòu)UL-RFL進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，其中光柵—Sagnac環(huán)反饋結(jié)構(gòu)UL-RFL實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)觀察并證實(shí)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(jié)構(gòu)UL-RFL產(chǎn)生超連續(xù)譜進(jìn)行理論研究，給出了超連續(xù)譜產(chǎn)生的物理機(jī)制與各非線性效應(yīng)的演化過程。5. 在對基于雙光柵反饋結(jié)構(gòu)的UL-RFL中光信號的傳輸進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(jī)分布反饋結(jié)構(gòu)UL-RFL進(jìn)行理論研究時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(dá)到最大值。7. 在對偏振光泵浦隨機(jī)分布反饋UL-RFL進(jìn)行理論研究時發(fā)現(xiàn)，偏振光泵浦可將前向輸出激光閾值降低300mW。8. 在進(jìn)行光纖中渦旋光的產(chǎn)生與傳輸?shù)睦碚撗芯繒r，設(shè)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(shù)為1.37 W-1?km-1。我們的研究對UL-RFL具有的新現(xiàn)象、新機(jī)制及其在信號傳輸、超連續(xù)譜產(chǎn)生等方面的應(yīng)用價值進(jìn)行了有益的探索。研究內(nèi)容涉及激光物理、非線性科學(xué)、無序系統(tǒng)理論、紊流理論等領(lǐng)域的研究范疇，具有豐富的物理內(nèi)涵。 2100433B