高功率多芯光子晶体光纤锁模激光器中锁模动力学过程研究

现有的锁模光纤激光器因受限于光纤的非线性，输出的超短脉冲能量一般在纳焦耳量级或更小。对于很多应用，往往需要放大级对激光器输出的超短脉冲进行放大。但放大过程不仅增加了激光系统的成本，牺牲了其易用性，而且对脉冲的形状和稳定性造成一定的破坏。因此直接从激光器获得高能量的超短脉冲具有重要的应用价值。多芯光子晶体光纤是最近提出的新型光纤，其模场面积可以比传统光纤大两个数量级以上，并保持输出模式远场的高斯分布。同时，多芯光子晶体光纤纤芯之间离散分布，有效避免了固体激光器无法克服的自聚焦和热透镜效应。本项目提出将多芯光子晶体光纤作为锁模激光器的增益介质，将能大大提升输出脉冲能量。多芯光子晶体光纤纤芯之间的相位关系强烈影响着飞秒激光脉冲的特性和光束质量，因此如何实现纤芯之间的相位锁定，纤芯之间耦合对锁模启动过程的影响，以及同相位超模运转条件下飞秒激光脉冲的时域和频域特性都是需要系统研究的关键问题。

多芯光子晶体光纤具有较大的模场面积，以多芯光子晶体光纤作为锁模激光器的增益介质，将能大大提升锁模光纤激光器的输出能量。本项目旨在研究多芯光子晶体光纤的锁模动力学过程，分析纤芯之间的耦合对输出模式和锁模启动过程的影响。研究成果主要包括以下几个方面：1、利用数值模拟详细分析了多芯光子晶体光纤的基本特性，包括超模近场和远场分布特性，各个超模的增益和损耗特性等。只有同相位超模纤芯之间相位一致，远场具有高斯分布，但是同相位超模只有在较高的泵浦功率下才具有最大增益。2、利用18芯光子晶体光纤作为增益介质，实验研究了锁模脉冲在多芯光子晶体光纤中的放大传输特性，并分析了增益对输出模式的影响。实验获得了功率110W，脉宽83fs的高功率同相位超模输出。实验结果表明，只有在高功率泵浦下，同相位超模输出才占主导，与理论模拟结果吻合。3、利用高非线性多芯光子晶体光纤，实验研究了高功率超连续光源的产生，并分析了非线性作用和光纤长度对输出模式的影响。实验结果表明光纤长度在一定程度上影响着光纤的相位，光纤长度越长，越有利于纤芯之间相位的收敛。4、基于以上的理论和实验研究结果，实验实现了多芯光子晶体光纤稳定的锁模运转，将飞秒光纤激光器输出的单脉冲能量提升至180nJ。利用更多纤芯的多芯光子晶体光纤，有望从光纤振荡级直接输出微焦耳量级的飞秒激光脉冲。5、理论结合实验研究了多芯光子晶体光纤振荡器的锁模动力学过程。结果表明，正是纤芯之间较强的耦合作用，使得所有纤芯能同步实现稳定的锁模脉冲，而且相位一致。6、分别利用超模的增益和损耗特性以及混合型光纤的谐振耦合特性，设计了两种多芯光子晶体光纤，在任何功率水平下都能直接输出同相位超模，避免了模式选择的困难。本项目对多芯光子晶体纤芯之间的耦合、光纤的模式、损耗、增益等特性进行了系统的分析，对多芯光子晶体光纤锁模机制进行了系统的研究，本项目的完成为多芯光子晶体光纤的应用研究奠定了良好的基础。