气体填充的Kagomé型光子晶体光纤特性及在激光脉冲压缩中的应用研究

With the development of laser technology, high energy, ultrashort pulse, and strong robustness are currently main streams. Kagomé PCF, a new type of photonic crystal fiber, has many distinctive characters, such as large diameter of core air holes, super-wide bandwidth, low loss, designable and controllable dispersion and nonlinearity. So it has significant advantage on the generation of high-energy and ultrashort laser pulse. Our project will further theoretical and experimental investigation on generation of Kagomé-PCF-based ultrashort laser pulse with high energy. On the basis of research on Kagomé PCF's optical mechanism, and demands for high-energy and ultrashort laser pulse, we innovatively present and advance theory and experimental research on Kagomé PCF's dispersion and nonlinear control. This project will focus on key issues on Kagomé PCF's nonlinear control theory under the action of ultra-fast laser, and its dispersion control mechanism. Perspective outcomes of the project are to realize ultrafast laser pulse with ultra-narrow pulse width, as well as high energy and strong robustness, and to establish appropriate theoretical and experimental systems. Through the project's implementation, we expect to make substantial progress in the related research field, and to promote developments of related field in China

Kagomé PCF是一种新型的空芯光子晶体光纤，具有大纤芯空气孔直径、超宽传输带宽、低损耗等特点。尤其是其独特的结构设计使得其导模被限制了纤芯空气孔中，因而完全避免了表面模引起的损耗等，在高能超短激光脉冲压缩中有着明显的优势。本项目拟在Kagomé PCF导光机理研究的基础上，重点开展气体填充的Kagomé PCF特性的相关理论和实验研究。同时，面向应用的需求，本项目还将采用光栅、包层选择性填充等方法研究并解决超快激光作用于气体填充的Kagomé PCF时的色散及非线性调控等关键技术问题。在此基础上，进一步实验探索基于Kagomé PCF的高能超短激光脉冲压缩的相关应用，以获得更高性能的激光输出。通过该课题实施，我们希望在相关研究领域取得突破，为高能超短激光脉冲的获得提供新的方法和手段。

本项目在不同结构Kagomé PCF的设计、Kagomé PCF传输机制的数值模拟、Kagomé PCF充气系统的设计和研制、气体填充的Kagomé PCF色散特性和非线性的调控、不同气体填充的Kagomé PCF对高能脉冲的传输和压缩、基于功能材料集成的Kagomé PCF光学器件等方面开展了系统的研究。本项目的主要工作有：1.研究 Kagomé PCF 的模式传导机理，包括模式特性、通带带宽、损耗、色散等关键特性；建立与光纤结构参数变化关系的理论分析模型和计算机模拟程序；2.理论研究激光作用于气体填充的 Kagomé PCF 时的色散及非线性演变规律，建立相关的调控理论模型；研究 Kagomé PCF 包层空气孔选择性填充功能性材料的特性及色散和非线性特性的调控技术；3.设计并拉制不同结构的Kagomé PCF，研究刻写光栅、包层空气孔选择性填充等不同情况下的Kagomé PCF特性；搭建基于Kagomé PCF的高能超短激光脉冲压缩实验系统，并研究高能激光脉冲在其中的传输和压缩。.基于此，其中最具代表性的研究工作包括：设计两种不同纤芯形状的Kagomé PCF，通过模拟填充不同材料实现了传输带宽的改变；通过空间耦合方式实现了超连续光源在Kagomé PCF中的传输，测定了Kagomé PCF的损耗参数；基于经验公式编写了各种气体填充的Kagomé PCF色散特性的代码，实现其零色散点的调谐；研究了气体填充的Kagomé PCF中基模非线性系数的调控；模拟了在室内环境下Kagomé PCF在脉冲压缩中的作用，实现了脉冲宽度近10倍的压缩；应用非线性薛定谔方程模拟了不同压强气体填充的Kagomé PCF对1030nm及2050nm脉冲的传输和压缩，取得了数倍的压缩效果；此外通过将Kagomé PCF和表面等离子体共振结合，实现了纤芯液体折射率的传感，灵敏度可以达到7864nm/RIU；利用染料溶液对Kagomé PCF的纤芯进行了填充，利用纤芯微腔研制出低阈值光流控染料激光器。