基于混合多芯光纤非线性耦合锁模的全光纤激光器

Fiber-integrated mode-locked laser is a promising method to commercialize femtosecond laser. The integration of the available saturable absorber still needs to be improved, which greatly affects the compactness and stabilization of the mode-locked laser. In this project, we take advantage of the nonlinear mode coupling in multi-core fiber to start and stabilize the mode-locking operation. According to the low nonlinearity and high saturable transmission threshold of the silica fiber, a hybrid fiber with both passive and positive cores is used. Hybrid multi-core fiber can be easily fused with other optical fiber devices and is prospective to realize all fiber mode-locked laser. The hybrid multi-core fiber integrates the gain medium and the saturable absorber, pulse formation dynamic under the function of gain, coupling, dispersion and nonlinearity together needs to be systematically studied and the physical mechanism needs to be understood. The properties of the saturable absorber depends on the mode matching between cores and is irrelevant with fiber material, the results can be extend to other mode-locked lasers with different center wavelength. The research of this project is essential for enriching and upgrading mode-locking technology.

锁模激光器的全光纤化是飞秒激光走出实验室，走向商用的重要途径。现有锁模激光器的关键部件，即饱和吸收元件的光纤集成度仍有待提高，影响了整个激光器的紧凑性和环境稳定性。本项目利用多芯光纤纤芯之间的非线性耦合作用启动和稳定锁模。针对熔石英光纤非线性系数低引起的饱和传输阈值高，锁模自启动困难的问题，拟采用主、被动纤芯混合的多芯光纤来克服。混合多芯光纤具有光纤属性，可以与激光腔内其他光纤器件低损耗熔接，有望真正实现锁模激光器的全光纤化。增益介质和饱和吸收元件是锁模激光器的两大关键部件，混合多芯光纤将两者集一身，需要系统研究增益、耦合、色散和非线性共同作用对脉冲成型动力学过程的影响，从而获得对其物理本质的深入理解。多芯光纤的饱和传输特性依赖于纤芯之间的模场匹配，与光纤的材料属性无关，因此本项目的研究成果可以推广应用到其他波段的锁模激光器，对丰富和提升锁模技术具有重要意义。

现有锁模激光器的关键部件，即饱和吸收元件的光纤集成度仍有待提高，影响了整个激光器的紧凑性和环境稳定性。本项目旨在研究混合多芯光纤的饱和传输特性，解决熔石英光纤非线性系数低引起的饱和传输阈值高，锁模自启动困难的问题，实现饱和吸收元件的光纤化。研究成果主要包括以下几个方面：（1）建立了完善的理论模型，分析混合双芯光纤的耦合特性与纤芯数值孔径、色散、增益的关系，优化设计并拉制了主被动混合的双芯光纤。（2）建立基于混合多芯光纤激光器的数值模型，从理论上研究了激光建立过程。研究结果表明，当双芯光纤长度小于耦合长度时，饱和传输效果明显，激光腔能达到稳定的锁模运转，输出类矩形脉冲。当双芯光纤长度大于耦合长度时，需要额外的滤波元件辅助锁模。模间色散将极大的影响输出脉冲和光谱的形状和对称性。（3）实验结合理论研究了耗散孤子脉冲在光纤中的传输演变过程，输出光谱具有偏振相关特性。输出脉冲经光谱滤波可以实现脉冲去啁啾，这种现象为超短脉冲在光纤中非线性传输后的脉冲的再现提供了一种全新的方法。（4）实验实现了光子晶体光纤的选择性封堵和填充，通过填充高非线性液体，实现了双液芯光纤的低阈值饱和传输。并基于液芯光纤获得了高方向性的随机激光出射。（5）为了解决双液芯光纤与光纤激光器内其他光纤元件耦合损耗大的问题，将低收缩率的光致聚合物选择性填充入光子晶体光纤空气孔中，经固化后，实现了固态双芯光纤的低损耗传输，为下一步研究固芯光纤饱和传输特性奠定了基础。本项目对混合双芯光纤的纤芯之间的耦合，光纤的模式、色散、增益等特性进行了系统的分析，对混合双芯光纤的锁模机制进行了系统的研究，并实验实现了基于双液芯光纤的低阈值饱和传输特性和激光出射。本项目的完成为饱和吸收元件的光纤化奠定了基础。