时空锁模激光器中的非线性光束净化

单模光纤锁模激光器具有高增益掺杂、本征单横模和结构紧凑等显著优势。 科研人员在过去几十年对单模光纤锁模激光器的研究中，主要考虑其时域模式特性。 然而，锁模光纤激光器的功率受制于由光纤微小纤芯引起的高非线性。近期，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Demetri Psaltis教授研究团队利用多模激光谐振腔中的非线性光束净化原理提出了一种产生高能量超短脉冲的新方法，所产生的高能脉冲具备单横模光束质量。相关工作以”Single-mode output by controlling the spatiotemporal nonlinearities in mode-locked femtosecond multimode fiber lasers”为题，发表在Advanced Photonics第5期。

一、时空锁模

克服超短脉冲功率瓶颈的经典方法是：首先产生低功率超短脉冲（称之为激光振荡级），然后再通过级联放大器来提高功率。但该方法的弊端也很明显，即外部放大引起的高额成本以及系统复杂度的提升。

近年来，多模光纤，特别是渐变折射率多模光纤，由于较低的模间色散和导光的周期性自聚焦特性而备受关注。目前，渐变折射率多模光纤已成功的应用于包括空间光束净化、波长转换和时空锁模等在内的前沿研究中。

图1. 色散管理激光器的结构原理图

时空锁模是产生超短脉冲的一种新方法，它可以在多模激光腔内产生时空效应平衡，从而支持多路径导光传输。一方面，多模光纤较大的纤径减小了谐振腔中的非线性效应，使得系统无需外部放大即可产生高能量脉冲。 另一方面，由于其多模特性，高功率时空锁模激光器的输出光束质量通常较差。

图2 激光谐振腔和光束轮廓测量示意图（a）QWP：四分之一波片，HWP：半波片，PBS：偏振分束器，ISO：隔离器， SF：空间滤波器；（b）近场输出光束轮廓的演变，可减少从连续波到锁模状态的腔损耗，以产生8 nJ的输出脉冲能量

二、通过非线性光束净化实现单模光束质量

瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员采用非线性光束净化技术首次在多模激光腔中产生了具备单模光束质量的高能量超短脉冲。他们的最新研究成果表明，调控腔内脉冲的时域特性是产生高质量锁模光束的一种有效方式。

他们的特别设计使得一种紧凑型、低成本的激光器可以产生高能量（> 20 nJ）、高光束质量（无外部放大，M²<1.13）的亚百飞秒脉冲。此外，研究团队通过模式解析仿真腔内复杂的动力学过程，从理论和实验两方面证实了非线性光束净化。

论文第一作者Ugur Tegin博士指出，他们的工作提出了一种调控时空非线性动力学产生超短脉冲的新方法。这项研究结果同时表明，仅使用商用器件搭建的光纤激光器就可以产生高能量、高光束质量的亚百飞秒脉冲。这种方法还可用于纤芯尺寸更大的光纤，保证在倍增功率的同时保持亚百飞秒脉冲的单模光束质量。