水是生物体中含量最多的一种物质，了解生物体内水的分布对于理解水的生理功能来说至关重要。相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）作为一种非侵入的成像技术，能够对生物体内的水分子进行实时且免标记的成像。因此，设计并搭建了用于水的CARS被动同步光纤激光器系统，该被动同步系统由掺铒和掺镱锁模光纤激光器构成，通过将主脉冲注入到从激光器腔内引入非对易相移，进而实现无源同步，同步失配距离达到347 μm。结合功率放大技术、倍频技术和脉冲压缩技术，双路输出平均功率分别为146 mW和2 W，脉冲宽度分别为146.0 fs和9.1 ps。使用所搭建的同步光源在3156 cm^-1处对新鲜小鼠耳朵组织进行CARS成像，成像效果良好。该同步光纤光源有望推动CARS技术在快速、实时、高效病理学检测领域的应用。

面向空间引力波探测对激光光源相对强度噪声的严苛需求，开展了极低相对强度噪声在低频段的测试表征技术研究。构建了基于低噪声光电探测器、高精度数字万用表以及快速傅里叶（FFT）频谱分析仪在低频段0.1 mHz~100 kHz的相对强度噪声测试系统。利用高精度数字万用表及FFT分段Smooth窗函数平滑算法实现对0.1 mHz~0.5 Hz的极低频段内相对强度噪声测试，本底噪声低于-99 dBc/Hz，同时利用低噪声放大器及FFT频谱分析仪测试在1 mHz~100 kHz的相对强度噪声，本底噪声低于-105 dBc/Hz。两种测试手段在1 mHz~0.5 Hz重叠频段内噪声测试结果的一致性验证了所构建测试系统在低频段测试结果的准确性。利用所构建的相对强度噪声测试系统对自研空间引力波探测用平面波导环形腔（NPRO）激光器、商用光纤激光器、商用外腔半导体激光器等多种激光器进行测试评估，并对其噪声成分及来源进行分析。所构建的低频段相对强度噪声测试系统可满足空间引力波探测对激光强度噪声评估的需求，同时也适用于其他低频段精密测量应用的激光光源噪声评估。

实验搭建了重复频率可调的全保偏掺镱光纤激光器，可输出重复频率在5~20 MHz内可调的皮秒脉冲光。采用掺杂氧化镁的周期性极化铌酸锂（PPMgLN）晶体进行倍频研究，并对比了输出光谱、脉宽和温度相位匹配曲线，在20、10、5 MHz的重复频率下，最大转换效率分别为39.2%、35.3%、31.0%，输出功率分别为744、600、496 mW。测试了倍频光的稳定性，4 h内倍频光的相对抖动低至0.74%。该光源具有输出光束质量高、稳定性好等优点，为高效获得重复频率可调的绿色皮秒脉冲光提供了一种方案。

实验展示了一种双色被动同步的全保偏光纤激光器, 该激光器可产生宽带光谱有望用于相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测。激光器由掺镱与掺铒的光纤激光器组成, 采用注入式被动同步的方式, 在150 μm腔长失配距离内获得稳定的被动同步状态。其中掺铒激光器由高非线性光纤光谱展宽至1000~1700 nm, 与掺镱激光器输出光在空间中合束后通过和频晶体产生和频信号。被动同步双色光纤激光器可作为相干反斯托克斯拉曼散射的稳定、宽光谱探测超快光源, 有望实现宽光谱多个拉曼峰同时探测。

研究了一种全光纤飞秒脉冲放大系统。其采用非线性放大环形镜结构的谐振腔输出宽光谱种子光, 通过光纤啁啾脉冲放大技术抑制功率放大过程中的非线性累积; 主放大部分结合双包层光纤与大模场光子晶体光纤熔接技术, 输出中心波长1030nm, 平均功率16.9W的高质量皮秒脉冲, 经空间光栅对补偿色散后脉冲宽度324fs, 单脉冲能量12.2μJ, 峰值功率约26.4MW。该放大系统采用保偏光纤特种熔接技术实现全光纤化, 相较于空间耦合放大具有光路结构简单, 环境稳定性高等特点, 有望推动高能量飞秒光纤激光工业化进程, 提升其在复杂使用环境的适应性。

研制了一种小型化的自适应双光梳系统。双光梳的种子源为两台重复频率均为77.2 MHz左右的掺铒光纤振荡器,重复频率差为180 Hz,经过两级掺铒光纤放大后注入高非线性光纤进行光谱展宽,展宽后光谱覆盖范围为1200~1700 nm。为了补偿两台振荡器之间的拍频信号中所包含的载波包络偏移频率差和重复频率差的不稳定性,利用两台中心波长分别为1550 nm和1564 nm的连续激光器和两台光纤振荡器进行拍频,可得到四路拍频信号。对四路拍频信号引入了压电陶瓷传感器电压反馈和多级温度反馈,最终获得了稳定的拍频信号,拍频信号的标准差为0.19 MHz。所研制的自适应双光梳系统样机尺寸为80 cm×67 cm×8 cm,整体质量小于30 kg,为其在室外更广泛的应用提供了解决方案。

实验研究了基于超连续谱滤波的可调谐双色同步皮秒脉冲产生技术,将全保偏掺铒锁模光纤激光器输出的脉冲分为两路,其中一路耦合到高非线性光纤,获得了覆盖掺镱光纤发射谱带的超连续谱,通过结合窄带可调谐滤波器和全保偏掺镱放大器,实现了平均功率为70 mW,脉冲宽度为4.0 ps,中心波长为1025~1055 nm的可调谐脉冲。掺铒光纤激光器的另一路输出光经过窄带滤波器和掺铒光纤放大器,实现了中心波长为1580 nm,平均功率为200 mW,脉冲宽度为4.2 ps的激光输出。上述基于超连续谱滤波的可调谐双色皮秒脉冲具有良好的同步特性,可以作为相干反斯托克斯拉曼散射的泵浦光和斯托克斯光。研究发现,选取超连续谱平坦位置的光谱成分作为掺镱放大器的种子光时,脉冲幅值及平均功率抖动更小,相对强度噪声更低。

实验搭建了基于同步脉冲泵浦的非线性差频中红外光源,利用主-从注入式全光调制技术实现了保偏掺饵和掺镱锁模光纤激光器的被动同步输出,结合高非线性光纤光谱展宽和宽带可调谐滤波器,获得了2940~3260 nm宽波段可调谐的中红外皮秒激光,平均功率为580~926 mW,最大泵浦光转换效率为41%。实验发现,小功率的同步诱导脉冲注入可以大幅降低中红外参量产生的泵浦阈值,从而放宽了高效率中红外产生对高功率泵浦光场的要求。

实验探究了基于被动全光同步的中红外差频产生技术,采用主-从注入锁定实现了全保偏掺镱和掺铒锁模光纤激光器的同步脉冲输出,并经过级联光纤放大在PPLN晶体中获得了中心波长为3071 nm的中红外皮秒脉冲,最大泵浦光转换效率为68.3%,峰值平均功率达1.36 W。研究发现,所使用的同步脉冲诱导差频技术能够显著降低中红外产生的泵浦阈值。此外,得益于脉冲产生、同步与放大全链路的保偏光纤架构,中红外超快光源表现出良好的长期稳定性,平均功率的相对抖动低至0.2%。

研究了Nd∶YVO4固体皮秒振荡器与掺铒光纤锁模振荡器的脉冲同步技术,为光参量放大、中红外产生等应用奠定了实验基础。实验采用光电二极管分别探测一台商售1064 nm Nd∶YVO4固体皮秒振荡器和一台自制1555 nm掺铒光纤锁模振荡器的脉冲重复频率,通过混频、低通滤波等电路处理得到了两台激光器重复频率的相对误差,并将该误差信号反馈至内置于1555 nm掺铒光纤锁模振荡器中用于精调腔长的压电陶瓷和粗调腔长的步进电机上,实现了两台激光器重复频率的同步。本实验中的同步装置具有结构简单、集成度高、可靠性高的特点。