概要

       超快光学领域的相关研究，建立在对光脉冲精确观测、调控的技术基础上；而每一台锁模脉冲激光器中，几乎都能够观测到具有不同演化规律的脉冲。在本文所介绍的工作中，来自拜罗伊特大学和康斯坦茨大学的研究人员基于孤子及单腔双梳的激光器结构，验证了双梳激光器谐振腔内孤子动力学行为及超短脉冲输出模式的可编程调控，为新型全光延迟发生器的研制提供了思路。该工作最终以“Controlling intracavity dual-comb soliton motion in a single- fiber laser”为题，发表于Science Advances上。

单腔双梳光源，搭建延时线的全新光源选项

       作为20世纪最伟大的发明，激光器的成功研制改变了光学和其他自然学科的发展脉络，而皮秒、飞秒脉冲激光器的问世，又叩开了超快光学的大门；可以说，近代以来人们对超短激光脉冲序列的调控研究，构成了超快科学的基础。作为对脉冲序列进行调控的最常见应用：延迟线，其设计往往需要引入机械结构，通过将一个脉冲序列分为两束，并引入不同的光程差，来产生特定间隔的时延；而延迟线的扫描过程，对于快速采集及高灵敏度检测等技术都有着较高的要求。

图1 复杂庞大的机械延迟线结构设计

（图源：complex matter）

       通过引入微米量级精度的机械位移台，能够在一定范围内实现飞秒脉冲的延迟，但这种多机械件结合扫描探测的过程，会引入大量的时空复杂度，并可能增加整个延时系统的搭建成本。目前，通过外界泵浦功率调制等调控孤子运动的设想已被证实，但与孤子调控相关的实验仍然在效率、速度以及可重复性等方面受到限制。在已有方案复杂度、高成本以及灵活性差的技术瓶颈下，研究人员开始寻找新的“平替”，而基于孤子物理学理论所设计的单腔双梳激光器，便成为了其中最有竞争力的候选者。

图2 单腔双梳光源概念图

(图源：Universität Bayreuth）

       基于方向、空间、偏振或是频率复用的单腔双梳光源，消除了延迟线设计中对于两个独立脉冲光源的需求，降低了技术复杂性。但单腔双梳光源脉冲序列间的延迟会在往返过程中发生线性累积，并对整个脉冲的周期进行扫描；因此，在纳秒范围内的典型脉冲序列周期，意味着较长的延迟窗口，并将导致皮秒、飞秒范围内的超短间隔采集效率低下。在本文所介绍的工作中，来自德国拜罗伊特大学“超快动力学”研究小组组长Georg Herink教授，和其博士生Julia A. Lang，联合康斯坦茨大学的Alfred Leitenstorfer教授及Sarah R. Hutter，提出了一种可编程调控的双梳光源设计，展示了孤子动力学在合成延时序列方面的巨大潜力。

延迟灵活可调，双梳光源需经此般匠心设计

       在本文所介绍的工作中，该团队研究人员采用了如图3 (a) 所示的结构，通过在全光纤激光器谐振腔中对两个频梳进行调制，来实现孤子延迟的快速调谐。在实际的光路搭建中，通过引入半导体可饱和吸收镜 (SESAM)，该研究团队在掺铒光纤激光器中得到了二次谐波锁模生成的两种时延间隔的脉冲序列，激光器的本征频率为27 MHz；通过声光调制器 (AOM) ，该团队实现了对于腔内孤子动力学行为的控制（AOM的带宽200 MHz，调制窗口短至10 ns）。而在激光器输出端，两个脉冲序列又可以通过非对称的马赫-曾德干涉结构进行组合，可调延时从0至本征周期的二分之一。在终端，通过引入实时示波器及光谱干涉测量，对脉冲序列信息进行了系统研究。

图3 双梳孤子腔内运动行为调控的概念与验证：(a) 双梳光纤激光器与外部脉冲探测结构示意图; (b) 一个孤子序列梳经AOM瞬态调制后实时运动轨迹; (c) 增加占空比对孤子延迟间隔的影响

       在文章中，作者详细介绍了孤子相互作用的物理模型，并用数值模拟证实了所观测到的实验结果。一般来说，该方法利用孤子强度与群速度之间的相关性；如图4 (a) 所示， SESAM的引入，能够在时间尺度上实现对脉冲包络的不对称整形，并可通过增加对脉冲前沿的吸收，更加有效地实现对脉冲间隔的调控。在该实验所构建的光路中，由于延时偏移量与强度相关，因此两个孤子之间的强度差异被转换为时间偏移，即如图4 (b) 所示。在实际模拟中，该团队得到了每1%的强度差异，会使得两束光在谐振腔中旋转一圈时产生1 fs相对延时的结论。

图4 通过饱和吸收对孤子幅值及时延耦合的解释及模拟：(a) 饱和吸收引起脉冲的整形和时间偏移 (脉冲的初始中心由白色虚线表示); (b) 不同强度的序列会产生不同的时延间隔，导致孤子发生相对运动；(c) 对强度调制下两个谐波锁模孤子运动的模拟

       在激光器稳定运行，控制功能顺利实现的基础上，该团队研究人员提出利用孤子动力学来合成可编程、更复杂的自由孤子运动轨迹。如图5所示，AOM的双调制使孤子延时表现出“Z”字形运动。

图5 通过自定义AOM的调制模式，实现任意延迟的输出

       最后，该团队基于一个简易马赫-曾德干涉仪结构，分离两路激光输出，并在其中一臂中引入固定时延，使得两脉冲序列在时域上精准重叠。而通过采用时间拉伸色散傅里叶变换技术，该团队实现了对于干涉光谱的实时测量，如图6。在固定调制强度下，增加扫描频率，扫描范围会减小。当扫描频率为1 kHz 时，实现了12.5 ps间隔内的准线性扫描。

图6 腔外探测结果 (a) 两序列通过干涉仪在腔外耦合示意图；(b)~(d) 不同扫描速度下，脉冲间时延随圈数变化的关系

总结与展望

       在本文所介绍的工作中，研究人员利用激光器中SESAM的二次谐波锁模并结合可编程AOM，通过调控脉冲强度，间接控制了两交替脉冲序列间的延时，实现了对单腔双梳光源内孤子运动的操控。该工作第一作者Lang谈到：“两个脉冲之间有着足够的时间，可以通过激光器内部的光学开关，对其施加单个‘干扰’”，“这种‘腔内调制’会导致脉冲速度发生变化，进而使得脉冲在时域上发生偏移”。Herink补充道：“我们的工作证明了大范围内快速调整时延间隔，并实现可自由编程调控的激光输出模式。”可以确定的是，除了对孤子物理学理论的更新见解外，这项工作还将为超短脉冲的高效应用开辟全新可能。

文章链接：Controlling intracavity dual-comb soliton motion in a single-fiber laser | Science Advances

参考资讯：

[1]Ultra-short laser flashes on demand: Controllable light pulse pairs from a single-fiber laser (phys.org)

[2]Ultra-short laser flashes on demand - Innovations Report (innovations-report.com)

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/EkeMrHOV8ohVD8ludaRSfA