撰稿 | 毛 東（西北工業(yè)大學(xué)）

鎖模光纖激光系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、光束模式優(yōu)良、峰值功率高以及與其他光纖系統(tǒng)兼容等優(yōu)點(diǎn)，在高速通信、生物醫(yī)學(xué)、激光加工和精密物理測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在基礎(chǔ)研究方面，鎖模光纖激光系統(tǒng)也為探索時空孤子、光學(xué)怪波和脈沖相互作用提供了理想的研究平臺，成為國內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。

通過調(diào)控諧振腔的色散和非線性特性，科學(xué)家已經(jīng)在光纖激光器中發(fā)現(xiàn)了無啁啾的傳統(tǒng)孤子、弱啁啾的色散管理孤子以及強(qiáng)啁啾的自相似脈沖和耗散孤子。其中，傳統(tǒng)孤子的形成主要源自負(fù)色散和自相位調(diào)制效應(yīng)的平衡作用，所得脈沖具有雙曲正割型的光譜和時域形狀。由于周期性的增益和損耗，脈沖為保持其孤子特性將部分能量以色散波的形式發(fā)射出來，在頻域上表現(xiàn)為對稱分布的尖銳光譜邊帶。色散管理孤子產(chǎn)生于近零色散區(qū)域，其在形成過程中經(jīng)歷強(qiáng)烈的壓縮和展寬，寬度可達(dá)數(shù)十飛秒量級。自相似脈沖和耗散孤子均形成于正色散區(qū)域，在非線性效應(yīng)的作用下，二者均具有巨大的線性啁啾，脈沖寬度為數(shù)十至數(shù)百皮秒量級。

圖1：脈沖類型隨諧振腔色散的演化關(guān)系

上述四種脈沖均是金茲堡-朗道方程的解，其中穩(wěn)態(tài)解、呼吸解、漸進(jìn)解和局域解分別對應(yīng)于傳統(tǒng)孤子、色散管理孤子、自相似脈沖和耗散孤子。從基礎(chǔ)研究角度而言，光纖激光器中是否存在第五種鎖模脈沖值得進(jìn)一步探討。從應(yīng)用角度而言，在不進(jìn)行色散補(bǔ)償或腔外壓縮的情況下，如何在正色散光纖激光器中直接產(chǎn)生近零啁啾脈沖也是一個極具挑戰(zhàn)的難題。

針對上述問題，西北工業(yè)大學(xué)毛東、趙建林教授研究團(tuán)隊(duì)與芬蘭阿爾托大學(xué)孫志培教授合作，提出包含色散、非線性和雙折射效應(yīng)的相位匹配理論，在正色散光纖激光器中引入保偏光纖，控制脈沖在腔內(nèi)近似線性傳輸，從而獲得了近零啁啾的鎖模孤子。

該研究成果以 Phase-matching-induced near-chirp-free solitons in normal-dispersion fiber lasers 為題在線發(fā)表在 Light: Science & Applications。

研究結(jié)果表明，脈沖在腔內(nèi)傳輸時，相位匹配效應(yīng)平衡了非線性效應(yīng)導(dǎo)致的光譜展寬，而可飽和吸收效應(yīng)補(bǔ)償了正色散導(dǎo)致的時域拉伸（圖2）。脈沖兩正交偏振分量在保偏光纖中以非對稱的“X”形式傳播，部分補(bǔ)償了由波長色散導(dǎo)致的群延遲差，使脈沖實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的自洽演化。由于雙折射效應(yīng)在脈沖形成過程中起主導(dǎo)作用，我們將其命名為“雙折射管理孤子”。

圖 2：雙折射管理孤子的形成機(jī)理

1.雙折射管理孤子特性

實(shí)驗(yàn)采用的激光器如圖3左側(cè)所示，諧振腔包含摻鐿光纖、保偏光纖、單模光纖、鎖模器件、隔離器和輸出耦合器，所有光纖及光纖器件均為正色散，且腔內(nèi)無色散補(bǔ)償元件。

研究結(jié)果表明，激光器的工作狀態(tài)與單模光纖-保偏光纖中激光偏振態(tài)耦合行為相關(guān)。當(dāng)單模光纖中沿y軸方向偏振分量與保偏光纖快軸夾角θ為0度或90度時，光纖激光器輸出具有強(qiáng)烈啁啾的耗散孤子；當(dāng)θ在45度附近時，光纖激光器輸出近零啁啾的雙折射管理孤子(圖3右側(cè))。

圖 3：雙折射管理孤子的形成機(jī)理和脈沖特性

研究發(fā)現(xiàn)，脈沖的兩正交偏振分量具有不同的中心波長和時域位置。與正色散區(qū)域中常見的自相似脈沖和耗散孤子不同，雙折射管理孤子具有尖銳的光譜邊帶。單個偏振分量的兩個邊帶位置和強(qiáng)度不對稱，其中較強(qiáng)邊帶對應(yīng)滿足相位匹配的諧振頻率，而較弱邊帶源自其正交偏振分量的模式耦合。雖然正色散區(qū)中雙折射管理孤子與負(fù)色散區(qū)中的傳統(tǒng)孤子具有類似的光譜形狀和啁啾特性，二者的形成機(jī)制、演化方式完全不同，表明雙折射管理孤子是一種全新類型的鎖模脈沖。

2. 雙折射管理孤子的形成過程

基于耦合金茲堡-朗道方程組，我們進(jìn)一步研究了雙折射管理孤子的形成與演化過程，具體如圖4所示。模擬中采用弱強(qiáng)度的噪聲脈沖作為初始信號，脈沖在腔內(nèi)傳輸時乘以相應(yīng)器件的傳輸矩陣。在前10圈內(nèi)，脈沖的強(qiáng)度呈指數(shù)形式劇增，并逐漸進(jìn)入一個亞穩(wěn)態(tài)過程。隨著圈數(shù)的進(jìn)一步增加，在相位匹配、自相位調(diào)制和可飽和吸收效應(yīng)的共同作用下，脈沖光譜逐漸展寬而寬度減小。在35圈左右，脈沖的光譜兩側(cè)逐漸出現(xiàn)兩個對稱的尖銳邊帶。之后，光譜和脈沖的強(qiáng)度呈現(xiàn)出輕微的擾動，最終在50圈左右進(jìn)入穩(wěn)定的自洽狀態(tài)。對于兩個正交偏振分量而言，除了兩側(cè)邊帶強(qiáng)度不對稱外，其他的演化行為與雙折射管理孤子類似。

圖 4：雙折射管理孤子的形成過程

3. 雙折射管理孤子腔內(nèi)演化特性

雙折射管理孤子在腔內(nèi)不同位置的演化如圖5所示。在單圈的循環(huán)中，脈沖依次經(jīng)過1米單模光纖，0.25米摻鐿光纖，1.05米單模光纖，光耦合器，1.5米單模光纖，可飽和吸收體和3.05米單模光纖。之后，脈沖進(jìn)入1.5米保偏光纖，兩個正交偏振分量在雙折射的作用下先交叉然后分開，以“X”形式傳輸。在保偏光纖的尾端，脈沖進(jìn)入單模光纖并回到波分復(fù)用器中，開始下一圈循環(huán)。值得注意的是，在保偏光纖中傳輸時，兩個分量的時域碰撞位置偏離了保偏光纖的中心，部分補(bǔ)償了由波長色散導(dǎo)致的群延遲差。結(jié)合可飽和吸收效應(yīng)，具有不同中心波長的兩正交分量最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自洽演化。

相關(guān)研究結(jié)果證明光纖激光器中存在第五類鎖模脈沖，拓展孤子鎖模的基本理論并推動其工程應(yīng)用。

圖 5：雙折射管理孤子在腔內(nèi)不同位置的演化

論文信息

Mao, D., He, Z., Zhang, Y. et al. Phase-matching-induced near-chirp-free solitons in normal-dispersion fiber lasers. Light Sci Appl 11, 25 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00713-y

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFA0303800）、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)及面上項(xiàng)目（11634010、11874300、61805277）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（3102019JC008、3102019PY002）等項(xiàng)目的資助。

毛東教授作為西北工業(yè)大學(xué)光學(xué)工程學(xué)科的優(yōu)秀青年教師，在國家自然科學(xué)基金、陜西省杰出青年科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目支持下，圍繞超快光纖激光、時空光場調(diào)控等領(lǐng)域開展了大量前沿研究工作，在Nature Communications, Light: Science & Applications, Physical Review Applied, Small, Physical Review A, Applied Physics Letters, Optics Letters等期刊發(fā)表第一、通訊作者論文48篇，相關(guān)論文共被引用6800余次，入選愛思唯爾2020年度高被引學(xué)者，該工作為近期的代表性成果之一。