【摘 要】
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超快光纤激光器以其超短脉冲宽度、超高重复频率以及超宽光谱成分,已广泛应用于光谱学、光通信、先进制造、精密测量、医学成像等领域。随着近年来应用场景逐渐瞬时化,超快激光作为加载信息的工具,其本身的瞬态特征变化将阻碍对被测对象瞬态信息的提取,并且伴随时间尺度的变化,超快激光所表现出的物理特性也会发生相应变化。特别是在激光形成与调控过程中,光参量的演变将破坏与重塑腔内线性与非线性效应的平衡状态,产生难以预
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超快光纤激光器以其超短脉冲宽度、超高重复频率以及超宽光谱成分,已广泛应用于光谱学、光通信、先进制造、精密测量、医学成像等领域。随着近年来应用场景逐渐瞬时化,超快激光作为加载信息的工具,其本身的瞬态特征变化将阻碍对被测对象瞬态信息的提取,并且伴随时间尺度的变化,超快激光所表现出的物理特性也会发生相应变化。特别是在激光形成与调控过程中,光参量的演变将破坏与重塑腔内线性与非线性效应的平衡状态,产生难以预期的光孤子行为,限制其调控速率,从而影响众多高速测量与成像系统的动态性能。然而,由于光电仪器响应速度限制,这种瞬态非重复性光参量演变无法通过传统时频测量手段进行表征。鉴于此,本文针对超快激光“参数实时测量”与“孤子演化规律”展开,在揭示丰富的瞬态动力学过程为孤子激光底层物理机制研究提供新见解的同时,推动超快激光在更短时间尺度下的高速精密测量、光与物质相互作用等领域的应用。本文具体研究内容如下:（1）系统性总结超快光纤激光器的被动锁模技术与输出脉冲类型,分析现有超快激光调控手段的优劣,阐明超快激光动力学的研究现状,探讨激光参数实时测量技术的不足。确立测量技术、激光时频参数调控手段、孤子演化规律的研究路线。（2）基于脉冲在光纤中传输的广义非线性薛定谔方程,结合超快光纤激光器的基本结构,建立被动锁模光纤激光动力学理论模型,仿真分析腔内增益和色散对孤子演化过程中时频参数的影响,为后续激光器的搭建、调控以及动力学现象分析提供支撑。理论分析并仿真验证基于色散傅里叶变换实时光谱测量与基于时间透镜时域显微的实现原理,为后续时频参数实时测量技术提供指导。（3）提出耗散孤子光源辅助的可控光学器件瞬态光谱测量技术。以声光光栅为例,可视化地表征其透射光谱在动态切换与扫描过程中,280μs的响应时间以及大于13000 nm/s的扫描速度,以此验证系统8 MHz的光谱测量刷新帧率,为可控激光系统核心器件的动态性能表征提供测量技术。（4）提出基于拉曼孤子自频移的全光自同步时间透镜。结合色散傅里叶变换技术,搭建自同步超快激光时频参数实时测量系统,全光设计使同步精度远超电子带宽。实现160 fs与0.05 nm的时频分辨率、301倍的时域拉伸放大,可在任意被测激光重复频率下对超短脉冲进行同步放大,且不受待测脉冲序列长度限制。为超快激光的动态参数表征提供测量技术。（5）基于时频参数实时测量技术,在反常色散区,实验发现历经振动孤子分子三联体产生与演化、以及多脉冲产生与湮灭所促成的传统孤子两种全新形成途径;在正常色散区,实验发现历经异步瞬态孤子对相互引燃式起振的耗散孤子全新形成途径。（6）提出并搭建光控与声控的参数可调超快光纤激光器。实现2.9 pm/m W与470 fs/m W的波长与脉宽线性精密调谐,以及范围大于30 nm、响应时间小于200μs的波长快速步进调谐。进一步基于时频参数实时测量技术,实验证明超快激光器可以在保持锁模状态下进行大于10000 nm/s的波长高速连续扫描。（7）基于时频参数实时测量技术,结合高速偏振分析仪,实验发现在偏振调控时类噪声单脉冲到双脉冲切换过程中的能量耦合现象;实验发现在泵浦功率调控时耗散孤子爆炸过程中会产生新维度上的光学偏振诡波。本文从超快激光参数实时测量到光孤子演化规律,深入地研究超快激光在非线性效应与调控手段的作用下,多个维度上的瞬态动力学现象。研制的可控光学器件与输出激光实时测量技术,可为表征超快激光系统的动态特性提供有力工具。进一步对光孤子新型演化规律的深入挖掘,可为超快激光底层物理的理解提供新思路,并为高速精密测量系统提供时频极致可控的超短脉冲光源。
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