导读

研究背景

与传统的单模光纤相比，多模光纤中具有更多传输模式，大大的提高了传输的容量以及单模光纤的功率承受极限。并且，由于多模光纤同时结合了时间特性和空间特性，各个模式之间存在着强烈的非线性模间耦合效应，故能够观测到非常丰富的非线性效应，如多模孤子、时空不稳定性、光束自清洁等。

锁模光纤激光器是获得超短脉冲激光的常用技术，而与单模锁模光纤激光器相比，多模锁模光纤激光器理论上所能获得的脉冲能量能提高几个量级。

创新研究

现有的时空锁模光纤激光器系统中所使用的光纤（包括增益光纤在内）均为多模光纤，中国计量大学沈常宇、王兆坤研究团队提出了一种部分多模光纤结构的自锁模时空锁模光纤激光器系统，能够以一种更为简单的方法获得时空锁模孤子。

图1和图2为时空锁模光纤激光器的实验装置图以及激光器的输出特性。该激光器充分利用了该腔结构本身（即单模-渐变多模-单模）中非线性多模干涉效应引起的可饱和吸收效应，使得腔内锁模的建立成为可能，无需再引入额外的锁模机制，即可获得了图2所示的多模传统孤子。

而基于非线性多模干涉效应的可饱和吸收体具有低饱和通量的优点，从而极大的降低了时空锁模光纤激光器的锁模阈值。该研究得到的多模传统孤子的自启动阈值约为32 mW，并通过调节腔内的多模偏振控制器获得了不同光谱宽度的多模传统孤子以及不同类型束缚态多模孤子输出，展示了纵模成分、孤子间相互作用等因素对于多模孤子时空特性的影响；而且观察到了时空孤子的模式不稳定的现象，发现在一定的泵浦功率范围内时空孤子的横模分布在两种不同的状态下来回跳变，这归结于多模光纤可饱和吸收体的饱和，使得能量脉冲能量的过度积累而引起模式不稳定。

图1部分多模结构的时空锁模光纤激光器实验装置图

图2部分多模结构的时空锁模光纤激光器输出特性：（a）锁模与连续光光谱图；（b-c）锁模状态及连续光状态下得输出光斑图；（d）频谱图；（e）脉冲序列；（f）自相关曲线。

图3时空锁模光纤激光器的功率演变图：在258 mW-277 mW泵浦功率范围内存在模场不稳定。

该研究不仅简化了时空锁模光纤激光器的结构，也为研究时空孤子的建立过程提供了一种新的思路。相比于全多模结构的时空锁模光纤激光器，这种结构简易的部分多模结构的时空锁模光纤激光器成本更低，且无需额外的锁模元件就能实现时空锁模，结构相对简单，易于实验室实现，大大缓解时空锁模光纤激光器实现的困难程度。

总结与展望

该工作得到浙江省自然科学基金项目(项目编号LY22F050005)、浙江省高校基础研究基金项目(项目编号2021YW12, 2021YW88)的资助。

Xuebin Zhang, Zhaokun Wang,Changyu Shen, and Tiegang Guo,“Spatiotemporal self-mode-locked operation in acompact partial multimode Er-doped fiber laser”, Opt. Lett. 47, 2081 (2022).DOI: 10.1364/OL.451832

论文信息 

中国计量大学沈常宇教授领衔的“光纤激光和智能感知研究团队”主要从事新型光纤激光器、光纤生化传感测量及触觉感知计量等方面的研究。团队近年来在新型光纤激光器（Opt. Lett., 47:2081(2022)、Opt. Lett.,46(22):5695(2021)）、光纤传感及检测（Opt. Lett., 46(21):5405(2021)、Opt. Lett.,45:2776(2020)、Opt. Lett.,43, 255(2018)、Opt. Lett.,43:751(2018)、Sens.Actuators B Chem.,234:503 (2016)、Appl. Phys. Lett., 109:031107 (2016)）等方面发表了多项研究成果。先后承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目20余项。

撰稿：王兆坤、沈常宇 中国计量大学光学与电子科技学院

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