时空自相似光纤激光器
来自：光学前沿评论 江苏激光联盟陈长军转载
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专家视点
时空锁模光纤激光器是一种超快激光器，它通过腔内的非线性相互作用锁定多模光纤腔的纵模和横 模。在此，U ğur Teğin等人提 出了一种具有自相似脉冲演化的时空锁模光纤激光器，该多模光纤振荡器在1030 nm处产生抛物线脉冲，平均功率为90 mW，光束质量接近高斯脉冲，脉冲持续时间为2.3 ps。数值模拟证实了自相似脉冲传播的实验观测。这项研究将有助于进一步研究时空锁模光纤激光器的非线性动力学。该工作发表在 Optica 上。
Uğur Teğin, Eirini Kakkava, Babak Rahmani, Demetri Psaltis and Christophe Moser, Spatiotemporal self-similar fiber laser, Optica 6(11): 1412-1415 (2019).
对于单模光纤激光器，通常首选镱基激光系统，以获得具有相对宽带光谱的高功率脉冲。多年来，色散工程技术已被证明可在镱基光纤腔中获得各种超短脉冲类型，如孤子脉冲、色散管理孤子脉冲和色散管理自相似脉冲。这些脉冲类型需要腔内的色散管理。对于镱基光纤激光器，这可以通过体光栅压缩器或色散位移光子晶体光纤实现。2006年，Chong等人获得了使用全正常色散腔形成耗散孤子脉冲。对于镱基激光系统，正色散腔为构建全光纤耗散孤子激光器提供了一个简单的平台。锁模耗散孤子脉冲的产生归因于使用8-12 nm带通滤波器的光谱内腔滤波。有趣的是，当腔内带通滤波器变窄时（≤4 nm）时间脉冲形状从高斯变为抛物线。Renninger等人在正色散腔设计中实现了这一现象；通过强光谱滤波，可以在激光腔的增益段产生自相似脉冲。这些自相似脉冲称为放大器相似脉冲。最初，在光纤放大器中研究并提出了这种基于强滤波和放大器方案的自相似脉冲，作为啁啾脉冲放大的替代方案。此外，这些脉冲是包括增益项的非线性薛定谔方程的一类解并将非线性相位转换为线性频率啁啾的形式。放大器相似脉冲及其产生机制和腔内传播行为不同于色散管理相似脉冲，后者不需要强光谱滤波，具有抛物线光谱形状。与耗散孤子和色散管理的相似脉冲相比，放大器相似脉冲经历了较大的光谱呼吸（光谱滤波器前后的光谱带宽比>5）。这种独特的行为产生频谱更宽的锁模脉冲，因此，脉冲持续时间可能更短。由于输出脉冲的啁啾仅取决于增益段，因此，放大器类似脉冲的啁啾也比总腔色散给出的啁啾小。最近，Ma等人实现了一种基于镱的全正自相似锁模光纤激光器，通过加热增益光纤抑制放大的自发辐射，可在1030-1100 nm范围内调谐。到目前为止，这些研究都是在单模激光腔中进行的。
近年来，渐变折射率多模光纤由于其独特的非线性特性和潜在的高功率处理能力而受到广泛的研究。通过低模式色散和周期性自成像，渐变折射率多模光纤中高功率脉冲的时空脉冲传播产生了有趣的非线性效应，如时空不稳定性、色散波产生、渐变折射率孤子、自束清洗、非线性脉冲啁啾和超连续谱的产生。除了上述研究之外，Wright等人还实现了在多模光纤激光腔中使用渐变折射率多模光纤实现时空锁模。后来，在时空锁模光纤激光器中观察到了束缚态孤子（即孤子分子）和谐波锁模。所有这些研究都提出了具有高斯时间分布和低输出光束质量的耗散孤子脉冲的激光腔。然而，还没有关于时空锁模激光器中产生不同于耗散孤子的时间脉冲类型的研究。
在这项工作中，研究人员提出了一个时空自相似光纤激光器，能够产生具有抛物线时间形状的放大器相似脉冲。有趣的是，来自250模渐变折射率多模光纤的锁模脉冲序列具有稳定的良好光束质量，M 2的值<1.4。该激光器是一个全正色散腔，包含一个50 μm纤芯直径的渐变折射率多模光纤、一个阶跃折射率多模增益和一个纤芯直径为10 μm的无源光纤。锁模是通过非线性偏振演化实现的。一种窄带通光谱滤波器，具有3.8 nm带宽由10 nm带宽的带通滤波器和倾斜长通滤波器级联而成。首先，研究人员通过数值模拟研究了多模激光腔中放大器相似性形成的可能性。在数值模拟的支持下，利用数值获得的腔参数（如每个谐振腔腔长）进行了实验研究。研究人员在实验上实现了自启动锁模，在1030 nm处以90 mW的平均功率产生类似的放大器，该放大器的脉冲能量为2.4 nJ，重复频率为38 MHz。实验表明，脉冲在激光腔内的光谱宽度增加了六倍。啁啾输出脉冲持续时间测量为2.3 ps ，与激光腔群速度色散相比，这是非常短的。这两个特性都指向放大器的相似行为。啁啾输出脉冲通过二阶自相关测量的光栅对外部啁啾到240 fs。通过使用相位和强度从互相关和频谱方法重建脉冲分布，研究人员获得了具有抛物线时间形状的172 fs的脉冲持续时间。光纤激光器的示意图，如图1所示。基于这种谐振腔设计，研究人员进行了数值模拟，以研究自相似脉冲形成的可能性。研究人员利用Wright等人提出的模型对时空锁模进行了模拟。通过考虑具有圆柱对称性的前六个线性偏振模式，求解渐变折射率多模光纤段的多模非线性薛定谔方程。假设高斯内腔带通滤波器的光谱带宽为4 nm。
图1 时空自相似光纤激光器的原理图。QWP，四分之一波片；二分之一波片；PBS，偏振分束器；NBF，窄带通滤波器；BPF，带通滤波器；LPF，通滤波器；SF，空间滤波器；OC，输出耦合器；GIMF，渐变折射率多模光纤。
如图2所示，在30次往返之后实现稳定的锁模机制。在增益光纤中，研究人员观察到大量光谱展宽，渐变折射率多模光纤段后，脉冲的光谱带宽达到21.5 nm。通过带通滤波器，这一宽光谱减小到4 nm。因此，脉冲在一次往返中经历5倍以上的光谱展宽[图2(b)]。脉冲的时间分布，如图2(c)所示，在输出1（滤波器前）和输出2（滤波器后）处，脉冲持续时间分别达到3.3 ps和1.2 ps。如图2(d)所示，在腔的增益段末端，研究人员获得了抛物线脉冲形状，这验证了放大器相似脉冲的形成。图2(e)显示了输出1处数值获得的光束分布。输出1和输出2分别为非线性偏振演化输出和50：50输出耦合器。通过数值模拟，可以在输出1处观察到2.51 nJ脉冲能量。
图2 (a) 模拟腔内脉冲持续时间和频谱带宽变化。SA，可饱和吸收体；BF，带通滤波器。(b) 模拟激光光谱和(c) 输出1（实线）和输出2（虚线）获得的时间分布。(d) 增益光纤末端的脉冲形状（实线），理论上与无啁啾抛物线脉冲形状（虚线）相吻合。(e) 数值模拟得到输出1时的光束分布。
然后，研究人员用数值设计的腔进行实验。腔中集成了一个芯径为10 μm的泵浦组合器，将976 nm高功率光纤耦合二极管激光器耦合到1.5 m高掺镱光纤（nLightYb-1200-10/125）增益段。纤芯直径为10 μm的光纤截面在1 μm处支持三种模式。芯径为10 μm的无源光纤长为1.8 m。为了激发250模渐变折射率多模光纤的高阶模式，增益光纤以小偏移量（5 μm）拼接到长度为2 m的渐变折射率多模光纤。锁模是通过调节腔内波片实现的。大约1.5 W泵浦功率时自启动锁模，重复频率为38 MHz。图3显示了在带通滤波器前后从输出耦合器实验获得的光谱和光束分布。当激光从连续波变为锁模激光时，输出光束分布的急剧改变[图3(b)和3(d)]。经过渐变折射率多模光纤后，放大器相似脉冲的光谱宽度达到24 nm并通过窄带通滤波器将光谱分布整形为3.8 nm，与在单模放大器相似激光器中往返一次后发现的脉冲呼吸比一致。在输出1和输出2处，激光器的测量输出功率分别为90 mW和10 mW。经过窄带通腔内光谱滤波器后，由于隔离器的孔径，脉冲经历空间滤波。与多模光纤激光器中的耗散孤子脉冲类似，空间滤波对于实现时空锁模是必要的。光束分布由一个4f系统测量，该系统具有1.5放大倍数。如图3(b)所示，紧跟在250模渐变折射率多模光纤之后的输出端口1处的波束具有近似对称的形状。M 2进行测量以确定该光束的质量，如图4(a)所示。在实验中观察到了良好的光束质量M 2<1.4用于腔的主输出（输出1）端口。对于单程传播配置，Krupa等人提出了在12 m长渐变折射率多模光纤（芯径为50 μm）末端具有约1 kW峰值功率的脉冲的光束分布的大幅改善。在实验中，在腔的增益段之后，锁模脉冲的峰值功率约为6 kW，然后，在具有相同芯尺寸的2 m长渐变折射率多模光纤中传播。通过在锁模腔中累积每次往返，研究人员观察到的干净光束轮廓很可能是由类似的光束清洁效应造成的。通过进一步的数值研究，以研究渐变折射率多模光纤内光束分布的演变。研究人员模拟了10种不同初始条件下线偏振模的单通传输，观察到高阶模向低阶模的能量转移。另一方面，数值模拟研究了脉冲形状对多模光纤激光器锁模光束质量的影响。在模拟的耗散孤子脉冲和放大器相似脉冲中，光束分布存在显著差异。在对各种激励条件的研究中，放大器相似脉冲比高斯脉冲具有更受限的空间能量分布。高斯（耗散孤子）和抛物线时间脉冲（相似或放大器相似）之间的主要区别在于抛物线脉冲形状比高斯脉冲具有更多的受限时间能量。模拟表明，在锁模激光器的输出端，更受限的时间分布转化为更受限的空间能量分布，从而获得更好的光束质量。因此，在实验中观察到的更好的光束质量是由于锁模多模激光器中产生了放大器相似性。
图3 (a) 输出1和输出2的测量光谱(插图)。锁模后，从(b)输出1和(c)输出2测得的光束轮廓。(d) 在连续波下，从输出1测得的空间光束分布。在光束分布中显示的比例尺为520 μm。
图4 (a) 输出1的测量光束M 2。(b) 从输出1测量的啁啾脉冲的自相关迹（实线）和理论拟合无啁啾抛物线脉冲形状(虚线)。
对于来自输出1的脉冲，研究人员未观察到二次脉冲形成或脉冲序列的周期性振荡。啁啾输出脉冲的持续时间为2.3 ps，反卷积系数为1.43，如图4(b)所示。对于色散为0.13 ps 2的全正色散腔，啁啾脉冲持续时间明显较小，验证了激光腔内脉冲的自相似行为。这些脉冲使用具有300 线/mm、192 fs的衍射光栅对外部光栅压缩器进行啁啾[图5(a)]。研究人员利用相位和强度从互相关和频谱算法从光谱和自相关数据中检索时间分布。如图5(b)所示，产生的脉冲具有抛物线时间分布的172 fs脉冲持续时间。通过逐渐增加泵浦功率来测试时空自相似光纤激光器的功率处理能力。输出端口1的平均功率高达195 mW，在腔往返过程中使用单脉冲进行锁模运转。这个平均功率是用2.1 W的泵浦源功率。脉冲产生5.1 nJ脉冲能量。实验中，研究人员获得了更宽的光谱（>35 nm），但时间脉冲形状退化，啁啾脉冲持续时间增加（>300 fs）。
图5 (a) 从输出1测量到的啁啾脉冲的自相关迹和理论拟合无啁啾抛物线脉冲形状(虚线)。(b) 相位和强度从互相关恢复的啁啾脉冲形状和抛物线脉冲形状拟合（虚线）。
综上所述，研究人员通过数值模拟和实验证明了一种全正常色散的基于镱的时空锁模光纤激光器支持自相似脉冲演化。实验中，研究人员获得了腔内大光谱呼吸（>6）和低啁啾的输出脉冲，观测证实了时空自相似脉冲的形成和抛物线脉冲的产生。研究发现，该振荡器能够产生1030 nm的放大相似脉冲，平均功率为90 mW，脉冲能量为2.4 nJ，持续时间为2.3 ps，重复频率为38 MHz。脉冲通过外部光栅压缩器减少到192 fs。 与在耗散多模锁模腔中光束分布相反，研究人员测量了放大器类似脉冲的近高斯光束分布M 2值<1.4。良好的光束质量和低于200 fs的自相似脉冲的组合是产生高功率超短脉冲的一个具有良好发展前景的平台。可以相信，观测结果对于时空锁模光纤激光器中的非线性脉冲传播以及脉冲和光束整形具有重要意义，该技术可应用于波长和脉冲形状可调谐激光源。
END
研究人员简介
Uğur Teğin，瑞士洛桑联邦理工学院光学与电气工程学院光学实验室及应用光子学器件实验室（现工作于美国加州理工学院）博士，研究方向为：光计算、非线性光纤光学、光纤激光器及光子神经网络。
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