飞秒光纤激光器光谱拼接相干合成理论及关键技术研究

High power Yb-doped fiber laser is the ideal substitute for titanium ultrashort laser, which will play a key role in application of high-field physics, such as above threshold ionization (ATI) and high-order harmonic generation (HHG). But there are a lot of difficulties for further improving the peak power and pulse energy of the fs pulsed fiber laser. First of all, the strong nonlinear effects lead to pulse distorted or even damage of the fiber, drastically, which will limit the pulse energy and peak power improvement. Secondly, the gain narrowing effect.in high power fiber amplifier will limit the spectral width of amplified laser. So it is difficult to obtain narrower pulse width and the pulse width is usual about several hundred femtoseconds. In order to breaking the limitation of nonlinear and gain narrowing effects, this roject suggests to use the spectral joint coherent combining technology. Through adding the spectral joint into the coherent combining technology and using the dissipative soliton mode-locking, photonic crystal fiber (PCF) amplifier, a higher power and energy will be achieved. Then, the fs pulse will be compressed by the negative dispersion PCF. We will do a thorough study about nonlinear and gain narrowing effect, which have influences on coherent efficiency and fiber output power. As a result, the spectral joint coherent combining operating mechanism will be revealed, and it will provide a new theoretical methods and techniques to achieve high power and high energy fs pulsed laser output.

高能量飞秒掺镱光纤激光器是钛宝石激光器的理想替代产品，将在阈上电离、高次谐波产生等强场物理领域发挥重要应用。但在光纤中进一步提高峰值功率和脉冲能量存在诸多困难。首先，光纤中强的非线性效应使脉冲产生畸变甚至彻底损伤光纤，限制了脉冲能量和峰值功率的提高。其次，高功率光纤放大器中增益窄化效应的产生严重限制了放大脉冲的光谱宽度，使压缩后的脉冲宽度通常都在几百飞秒，很难获得更窄脉冲。为了突破单个光纤放大器中非线性效应和光谱增益窄化效应的限制，本项目提出采用光谱拼接相干合成技术解决这一问题。将光谱拼接和相干合成技术相结合，同时引入耗散孤子锁模、光子晶体光纤放大实现高能量超短脉冲输出，然后采用负色散光子晶体光纤进行脉宽压缩的技术方案。将对非线性效应、增益窄化效应等对相干合成效率、输出功率等方面进行详细研究，深入揭示光谱拼接相干合成的工作机理，为实现高功率飞秒激光输出提供新的理论和方法。

对超短脉冲光纤激光进行相干合成是未来获得高平均功率与高峰值功率的重要技术路径。本项目以超短脉冲光纤激光相干合成系统为研究核心，对相干合成的基础理论、关键技术及实验展开研究。其中，相干合成基础理论主要研究光场相干性的建模、计算、预测、优化等内容，为系统核心指标即相干合成效率的提升提供理论支撑；相干合成关键技术主要研究超短脉冲光纤激光的产生、放大、压缩、控制以及关键器件研发等内容，为系统性能的提升提供技术支撑；相干合成实验主要研究超短脉冲光纤激光在时域与空域不同维度下的相干合成，具体而言，涉及到超短脉冲光纤激光的分束、放大、合成，以及光程、相位、偏振等方面的控制实验。本项目研究过程中，累计发表学术论文19篇，其中SCI论文12篇、EI论文3篇，申请专利14项。培养的博士研究生毕业1名、硕士研究生毕业6名。在相干合成基础理论方面已建立光场相干性综合性分析模型，并成功用于指导实验；在相干合成关键技术方面，分别突破了新型锁模技术、全纤化放大技术、高效压缩技术、相位控制算法优化、关键元器件研发等一系列关键技术；在相干合成系统实验方面，分别进行了超短脉冲光纤激光的时域相干合成与空域相干合成实验，验证了项目研究中一系列技术的可靠性。项目研究完成了指定的研究目标。