少模光纤中孤子动力学特性与时空锁模光纤激光器的研究

Mutltimode fibers show the complex spatiotemporal dynamic processes and rich non-linear phenomena based on the nonlinear interaction of abundant guided modes. The study of multimode soliton characteristics in few mode fibers provides an ideal means for revealing the physical mechanisms of various spatiotemporal nonlinear phenomena in multimode fiber. It also provides a new method for the realization of various multimode laser light sources. Therefore, it has important scientific significance and application value. The main research work to be carried out in this project includes: (1) Establishing a theoretical model for analyzing multimode solitons in conservative systems and dissipative systems; (2) Constructing a test platform for spatiotemporal dynamic processes of multimode solitons based on the Mode-Division Multiplexing and Dispersive Fourier Transformation technologies; (3) Investigating the fundamental rules of the generation and evolution of multi-mode soliton in the few mode fibers; (4) constructing the spatiotemporal mode-locked fiber laser based on the few-mode fibers and analyzing the dynamic processes of the multimode dissipative soliton. Through the study of this project, we will find the novel phenomena and mechanism of spatiotemporal evolution of multimode soliton, and provide theoretical and technical support for various laser sources based on multimode fiber.

多模光纤利用传导模式在时空维度上的相互作用展现出复杂的动力学过程和及其丰富非线性现象。研究少模光纤中的多模孤子特性，为揭示多模光纤中各种时空非线性现象的物理机制提供了理想的手段，同时也为各种多模激光光源的研究提供了新的方法，具有重要的科学意义和应用价值。本项目拟开展的主要研究工作包括:(1)建立分析保守系统和耗散系统中多模孤子的理论模型;(2)基于模分复用和色散傅里叶变换技术搭建探测多模孤子时空动力学过程测试平台；（3）研究少模光纤中多模孤子产生和演化的基本规律；（4）搭建基于少模光纤的时空锁模光纤激光器，分析多模耗散孤子动力学过程。通过本项目的研究，能够发现多模孤子时空演化的新现象、新机制，为基于多模光纤的激光光源的研究提供理论和技术支持。

本项目以被动锁模光纤激光器中的非线性动力学过程和多模光纤中的模式调控为主要研究对象，将两者相结合，能够展现出复杂、丰富的时空动力学过程。本项目开展的研究工作包括：（1）基于多模非线性薛定谔方程和广义金兹伯格-朗道方程开发了单模和多模谐振腔中孤子演化的数值模型，开发了数值模拟程序，模拟了孤子脉动、光学湍流等单模和多模非线性动力学过程，分析了多孤子自组织过程。基于深度学习算法实现对时间拉伸色散傅里叶变换（TS-DFT）数据的信息提交和对孤子演化过程的预测。（2）对被动锁模光纤激光器中的非线性动力学过程进行了实验研究，观测到一系列非线性动力学过程，包括：（a）光纤声光效应导致的孤子自组织；（b）多耗散孤子的同步和异步脉动和爆炸；（c）孤子雨动力学过程；（d）基于增益的孤子分子运动调控等。（3）研究了光纤中高阶模式的激发、转换、传输过程，分析了光纤中线偏振模式、矢量模式和轨道角动量模式相互转换的机理，探索了基于光纤光栅、光子带隙光纤、耦合器和光子灯笼实现模式传输和转换的方法，实现了柱矢量模式的耗散孤子输出。（4）搭建了工作在1030nm波段的时空锁模光纤激光器，并研究了其动力学过程。本项目的研究工作为研究耗散系统动力学提供了理想的平台，具有重要的科学意义和应用价值。