氧化石墨烯被动锁模光纤激光器中新型孤子脉冲的特性研究与调控

This project aims to realize the output and control of three kinds of new type high-energy soliton pulse, that is, dissipative soliton, vector soliton and rogue wave soliton, in the ring cavity passively mode-lock Erbium-doped fiber laser based on graphene oxide saturable absorber . We mainly use the nonlinear theory to construct the theoretical model, and develop the analytical and numerical simulation methods to analyze the formation mechanism of the new solitons, discuss the interaction between solitons, and reveal the dynamic evolution rule of the new solitons. We also apply the modulation instability analysis to obtain the stable region and anti-interference ability of the new soliton pulse. We also regulate the shape, width, soliton center, velocity, duration and other output characteristics of the novel solitons by changing the tunable parameters. What’s more, through the control of the fast excitation, continuance and annihilation of soliton,we can understand the new characteristics and potential applications of these nonlinear local structures . We also experimentally use the hollow core photonic crystal fiber with different morphologies of graphene oxide, that is, graphene oxide sheet and graphene oxide fiber etc. to make the saturable absorber, so that a passively mode-locked laser can be made. Finally, we change the physical parameters to get different working state of the laser cavity, so that narrow pulse width and high power solitons with different physical properties can be obtained. The comprehensive results of theory and experiment provide a theoretical basis and technical support for the research and development of new ultrashort pulses fiber laser.

本项目旨在实现氧化石墨烯环形腔被动锁模掺铒激光器中三类新型高能量孤子脉冲—耗散孤子、矢量孤子和光怪波孤子的稳定输出和参量调控。主要运用非线性理论构建理论模型，开拓解析和数值方法，分析新型孤子脉冲的形成机理，探讨孤子间的相互作用，揭示其动态演化规律。根据调制不稳定性分析得到新型孤子脉冲的稳定区域和抗干扰能力。通过改变可调谐参数来调控新型孤子脉冲的形状、脉宽、孤子中心、波速、持续时间等输出特性，并且操控孤子快速激发、维持、湮灭和再现，从而了解这些非线性局域结构的新奇特征和潜在应用。实验上， 利用空心光子晶体光纤与不同形貌的氧化石墨烯（薄片状、纤维状等）相结合制成锁模器件，搭建被动锁模掺铒激光器。通过改变物理参数设置来得到激光腔不同的工作状态，从而获得具有不同物理特性的窄脉冲、高能量的孤子脉冲。理论和实验的综合结果为新型超短脉冲光纤激光器的研发和性能的提升提供理论依据与技术支撑。

本项目从理论研究和实验研究两方面获得了氧化石墨烯环形腔被动锁模掺铒激光器中三类新型高能量孤子脉冲——耗散孤子、矢量孤子和光怪波孤子脉冲的动力学特性和形成机理，得到了其动态演化规律及孤子间相互作用的机理，并实现了孤子脉冲的输出特性改善和操控。理论方面，改进了原有求解孤子脉冲的解析方法，成功地获得了新型孤子的解析解。采用（准）解析和数值等多种方法互补，对多种类型的新型孤子脉冲的动力学特性及其稳定性开展了一系列深入而系统的研究，形成了一套有效研究光纤激光器中高能孤子脉冲的解析和数值方法。进一步通过参量调控实现了多种新型孤子（例如光怪波孤子、Peregrine 孤子、矢量多极孤子和矢量涡旋孤子等）和组合孤子（例如光怪波孤子和呼吸子组合孤子等）的输出特性（例如形状、振幅、孤子中心、脉宽等）、激发方式(例如完全激发、后激发、峰值激发和初始激发)、维持、约束以及重现等行为的可操控。实验方面，我们成功制备了氧化石墨烯，掌握了氧化石墨烯的光学和电学特性，实验上实现了高品质因子、低阈值、高边模抑制比、窄脉宽的稳定单模激光的输出。并进一步利用金属和石墨烯的表面等离激元效应改善和提升了单模激光的性能。通过本项目研究在科学层面上建立了清晰的新型孤子脉冲的动力学过程物理图像，获得了调控孤子输出特性的方法，并掌握了这些非线性局域结构的新奇特征和潜在应用，为被动锁模光纤激光器的性能提升和高峰值功率、低激发阈值和更宽的可调谐波长范围的新型超短脉冲激光器的研发提供理论依据与技术支撑。