拉锥掺镱光纤放大器输出超连续谱的关键技术研究

Compared with the traditional method of supercontinuum (SC) generation using photonic crystal fiber pumped by a fiber laser, the method of SC generation from a fiber amplifier has the advantages of simple configuration, small splicing loss, high conversation efficiency and able to realize high power output. On the basis of our prior research results, this project applies the taper technology into the method of SC generation from a fiber amplifier and proposes the method of SC generation from a tapered ytterbium-doped fiber amplifier in a creative way. The contents including the following several aspects: (1) proposes a theoretical modal for the SC generation from a tapered ytterbium-doped fiber amplifier, and simulates the impact of tapering shape, tapering length and input pulse parameters on the spectrum width and flatness of the output SC; (2) experimentally realize the tapering of the ytterbium-doped fiber and measure its dispersion parameters in a wide spectrum range. Enables the group velocity matching between the blue-shifted dispersive waves and the red-shifted solitons; (3) experimentally realize SC generation from a tapered ytterbium-doped fiber amplifier which can broaden both in short wavelength and long wavelength directions simultaneously, and study the impacts of tapering on the nonlinear effects, conversion efficiency, mode and pump dumping in the ytterbium-doped fiber; (4) study the influence of tapering on the beam quality of the SC generation from a ytterbium-doped fiber, and provide an solution to improve the beam quality of the SC.

光纤放大器输出超连续谱方案相对传统激光器泵浦光子晶体光纤输出超连续谱方案而言具有系统结构简单、熔接损耗小、转换效率高以及能实现高功率输出等优势。基于项目组前期的研究结果，本项目将拉锥技术应用到光纤放大器输出超连续谱方案中，创新性提出拉锥掺镱光纤放大器输出超连续谱方案，具体研究内容有：（1）建立拉锥掺镱光纤放大器输出超连续谱的理论模型，数值模拟拉锥形状、拉锥长度以及入射脉冲参数对输出超连续谱光谱范围和光谱平坦度的影响；（2）在实验上实现掺镱光纤的拉锥，并在较宽光谱范围内对拉锥掺镱光纤进行色散测量，实现拉锥掺镱光纤中蓝移色散波与红移孤子的群速度匹配；（3） 在实验上实现拉锥掺镱光纤放大器输出能够向短波和长波两个方向同时展宽的超连续谱，研究拉锥对掺镱光纤中非线性效应、转换效率、模式以及泵浦光倾泻的影响；（4）研究拉锥对掺镱光纤输出超连续谱光束质量的影响，为提高超连续谱的光束质量提供一种解决方案。

项目背景及科学意义： . 光纤放大器输出超连续谱方案相对传统“激光器+光子晶体光纤”方案而言优势显著，该方案系统结构简单、效率高、输出功率高，但该方案存在的局限一是产生的超连续谱只能向长波方向展宽，无法向短波方向展宽；二是输出超连续谱的光束质量较差；三是产生超连续谱的阈值较高。本项目就是针对掺镱光纤放大器输出超连续谱方案中存在的上述局限，把拉锥技术应用到该方案中，创新性提出基于拉锥掺镱光纤放大器输出超连续谱方案，对于进一步丰富光纤放大器输出超连续谱的研究内容具有重要的科学意义。.主要研究内容：. 本项目开展基于拉锥掺镱光纤放大器输出超连续谱的关键技术研究，依托实验室已有的光纤后处理技术平台、高功率掺镱光纤放大器平台以及光纤色散测量平台，主要开展以下几个方面的研究：一是拉锥掺镱光纤放大器输出超连续谱的数值模拟，二是掺镱光纤的拉锥及其色散参数测量，三是拉锥掺镱光纤放大器中超连续谱的产生。.重要结果： . 1、在理论模型和数值仿真方面，以瞬态速率方程和广义非线性薛定谔方程为基础，建立了适用于拉锥掺镱光纤放大器输出超连续谱的理论模型，该模型可以数值模拟拉锥形状、拉锥长度以及不同入射脉冲条件等对拉锥掺镱光纤放大器输出超连续谱光谱范围和光谱平坦度的影响，该部分工作已发表在光学顶级期刊《Optics Express》上。. 2、在实验方面，搭建了四级主振荡功率放大系统，对比研究了皮秒和纳秒脉冲在掺镱光纤放大器中产生超连续谱的不同，实验结果表明：在掺镱光纤放大器中，纳秒脉冲比皮秒脉冲更有利于超连续谱的产生，相关内容已发表在《Chinese Physics B》 杂志上。. 3、从实验的角度验证了拉锥掺镱光纤放大器中产生可见光超连续谱的可能性。搭建了三级主振荡功率放大系统，通过合理设置拉锥参数，在四波混频的作用下，拉锥掺镱光纤放大器可以实现可见光波段超连续谱的产生，该部分相关内容已获得国防专利授权。