激光器大模间色散下的时空锁模

2021-03-29

01导读

清华大学精密仪器系杨昌喜课题组与北京邮电大学电子工程学院肖晓晟课题组合作,在时空锁模激光方向取得了新进展。时空锁模即多个横模与多个纵模同时锁定。合作团队证实了大模间色散下依然可以实现时空锁模,揭示了其锁模机理;并观察到锁模输出在多横模与近单横模之间转换。该工作在科学上扩展了对三维光学系统中复杂非线性时空动力学的理解,揭示了利用成本低的、商用的多模增益光纤可以实现时空锁模,在工程上拓宽了时空锁模激光器的设计可能性。

研究成果以“Spatiotemporal mode-locking in lasers with large modal dispersion”为题于3月3日发表在Physics Review Letter上,并被列为“编辑推荐(editors’ suggestion)”。

02研究背景

激光腔的边界条件决定了激光以一系列分立的模式存在于腔中。激光腔中光的传播方向为纵向,而腔对光场的限制通常在纵向和横向都存在,其谐振模式因此可分成纵向和横向模式,即纵模和横模。当腔中某个横模的诸多纵模的相位被锁定时,它们相互干涉,在光学腔中产生脉冲,这就是传统的锁模。人们对传统的单横模锁模激光器进行了数十年研究,其应用越来越广泛,如在超快光学和频率梳中充当光源;同时锁模激光器也是研究非线性动力学的理想平台。

然而更为广义的锁模是多个横模与纵模同时锁定,即时空锁模。由于包含了空间维度(多横模),时空锁模相比传统锁模有望获得更高的脉冲能量;光在腔内演化是(3+1)维的,具有更丰富的非线性现象,为研究复杂的高维非线性效应提供了便捷平台。2017年Wright 等人报道了利用多模光纤激光器成功实现了时空锁模,并指出它有望大大提升锁模光纤激光器的输出脉冲能量。他们认为小的横模间色散可以很轻易地通过腔内非线性来平衡,是实现时空锁模的重要因素。

那么在大模间色散下时空锁模是否能实现呢?在传统锁模激光器中,腔中色散对耗散非线性动力学有着重要的影响。同样,若大模间色散下能实现时空锁模,那时空耗散非线性动力学过程是怎么样的?从应用角度考虑,普通的商用多模增益光纤通常是阶跃折射率光纤,其模间色散远大于Wright等人使用的特殊定制的增益光纤。因此无论是从科学还是应用角度来说,研究大模间色散下的时空锁模都具有重要的意义。。

03研究创新点

大模间色散下时空锁模的实现

针对以上问题,研究人员搭建了由大芯径阶跃折射率增益光纤组成的多模光纤激光器(图1),进行了相关内容的研究。实验中所使用的商用阶跃折射率增益光纤的模间色散比对应的渐变折射率光纤的模间色散大一个数量级。


图1 实验装置图。STIN:阶跃折射率增益光纤;OM4:渐变折射率无源光纤;HWP:半波片, QWP: 四分之一波片, PBS: 偏振分束器,ISO:隔离器,SF: 光谱滤波器;SPDM:短通二向色镜;M:反射镜;L:透镜。

在所搭建的大模间色散多模光纤激光器中,研究人员成功地实现了时空锁模。随着泵浦功率的逐渐增加,研究人员观察到了腔从放大自发辐射,到多模连续激光,再到时空锁模,最后回到多模连续激光状态的完整过程,如图2。


图2 多模光纤激光器输出随着泵浦功率增加的演化。(a) 光斑强度(沿x维积分并归一化),(b) 时域演化,(c) 频谱演化。随着泵浦功率的增加从(d, e) 放大自发辐射,过渡到(f, g) 多模连续激光状态,再到(h, i) 时空锁模状态,最后回到(j, k) 多模连续激光状态。(d, f, h, j) 为对应的光谱图,(e, g, i, k)为对应的光斑图,相应的功率在光谱图中标出。

借助多模非线性薛定谔方程进行仿真,发现大模间色散下的时空锁模与小模间色散下的时空锁模有很大的不同。研究人员发现腔内可饱和吸收体(来自非线性偏振旋转效应)除了具有非线性损耗的基本功能外,在补偿大模间色散中起到了重要作用(图3)。


图3 时空锁模多模光纤腔中模式1和模式6之间的走离演化。黑色虚线:模式1和模式6之间的线性走离。插图中的A-G:脉冲形状在腔中不同位置的演化,与横坐标中标记的位置相对应。SA:可饱和吸收体;SF:光谱滤波;CO:耦合。。

模式自选择现象

在多模光纤激光器中观察到了模式自选择(或称“光束自清洁”)现象,即从多横模锁模状态过渡到单个低阶模式的锁模状态,如图4即是从多模时空锁模转换过去的较纯的LP11锁模状态下的光斑。研究人员甚至观察到多横模锁模与LP11锁模这两种状态的双稳态。通过实验和仿真结果,研究人员认为这是可饱和吸收体的非线性和多模增益光纤中的空间增益竞争的相互作用所导致。这为多模光纤激光器可以选择性地输出较纯模式提供了可能。


图4 多模光纤激光器输出LP11模时光斑状态

总结与展望

虽然单模光纤激光器中的非线性动力学已经得到了广泛的研究,但人们对在具有时空复杂性的多模光纤激光器中非线性动力学及高维孤子演化的认识依然欠缺。本文工作扩展了对三维光学系统中复杂非线性时空动力学的理解,拓宽了时空锁模激光器的设计可能性。基于成本低的、商用的大芯径多模光纤的腔结构有望促进时空锁模激光器的应用,并为研究高维非线性科学提供便捷平台,还对时空非线性动力学的可探索参数空间进行了拓展。

该工作由清华大学和北京邮电大学合作完成。北京邮电大学肖晓晟副教授和清华大学杨昌喜教授为论文通讯作者,博士研究生丁一航和副教授肖晓晟为论文第一作者。该项工作得到国家重大科学仪器设备开发专项、自然科学基金等项目支持。

论文链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.093901