基于Kagomé光子晶体光纤的深紫外飞秒脉冲激光基础理论和关键技术的研究

The femtosecond laser at ultraviolet regime has important applications in biophotonics, micromachining and chemical reaction control. This project proposes to apply the gas-filled Kagome-PCF in the nonlinear propagation of high pulse energy femtosecond laser. Based on the spectrum broadening and pulse compression in the gas-filled Kagome-PCF, ultraviolet femtosecond laser will be generated through the phase-matching between soliton and dispersive wave, four wave mixing process and higher order harmonic generation. The researches include the dynamics of self-similar amplification in high pulse energy femtosecond laser amplifier, the mode control of in-phase supermode from multi-core fiber laser amplifier, the careful control of the dispersion of gas-filled Kagome-PCFs, the optimization of the nonlinear dynamics in the gas-filled Kagome-PCFs. Furthermore, some applications will be explored based on this novel fiber-based ultraviolet femtosecond laser resources.

深紫外波段的飞秒激光源在生物光子学、微纳制造、化学反应控制等多个基础科学领域有重要的应用。项目提出在研究高能量光子晶体光纤飞秒激光技术的基础上，利用填充惰性气体的Kagomé光子晶体光纤进行非线性光谱展宽和色散补偿，实现高能量、少周期的飞秒激光源；进而利用填充惰性气体的Kagomé光子晶体光纤中的孤子波与色散波的相位匹配、四波混频和高次谐波产生等非线性过程，实现光纤型的深紫外飞秒激光源。研究内容包括了自相似放大等光纤飞秒激光技术中的动力学过程研究、多芯大模场光子晶体光纤放大器输出的同相位超模的合束研究、填充惰性气体的Kagomé光子晶体光纤色散特性的精细控制研究、填充惰性气体的Kagomé光子晶体光纤中飞秒激光非线性传输过程的优化等基础理论和关键技术的探索，进而利用深紫外飞秒激光源在生物光子学和微纳制造等领域开展一系列前沿应用的研究探索。

高性能飞秒激光在国防安全、前沿技术领域都有重要的应用价值，也有关键的基础科学问题需要深入研究。项目组按照计划开展工作，取得如下重要成果：.实现了高质量的光纤飞秒激光：系统研究了飞秒激光在光纤系统中传输和放大的动力学过程，实现了阿秒量级的孤子分子动力学分辨；在光纤振荡器首次实现了单脉冲能量超过微焦尔、脉冲宽度40fs的激光输出，通过非线性和多芯大模场光纤中的同相位超模放大，在光纤激光放大系统实现脉冲能量微焦尔量级输出，脉冲宽度保持在百飞秒量级。.拉制成功多波段低损耗传输的中空光纤：设计了多种低损耗中空光纤，成果在555nm-564nm波段实现损耗低于瑞利散射损耗，并且在558nm处比瑞利散射损耗极限低2dB/km，突破了石英玻璃材料设定的光纤损耗极限；实现导光通带覆盖近红外波段和深紫外波段，并保持低损耗传输的空芯光纤，能满足高功率飞秒激光和深紫外飞秒激光的传输要求，在355nm处测得的损耗为0.3dB/m。.实现了可调谐的深紫外飞秒激光输出：通过惰性气体填充的中空光纤中的非线性过程，研究了多倍频程超连续光谱的产生机制，实现了波长覆盖265-430nm可调谐的紫外波段飞秒激光；通过非线性晶体中的相位匹配，实现了覆盖紫外和中红外的光学参量振荡和放大，最短获得了波长260nm的高功率紫外飞秒激光。.项目执行期间共发表SCI论文63篇，其中包括1篇Optica，2篇Laser Photonics Reviews.，10篇Optics Letters.，14篇Optics Express，参与出版英文书籍1本，申请国家发明专利8项（其中已授权5项）。培养博士后出站3人，毕业博硕士研究生30人。其中1人获得金国藩青年学子奖，1人获王大珩光学奖-高等学校学生奖。