建造飛秒光纖激光器往往使用單模光纖，其較小的芯徑伴隨著很強(qiáng)的非線性，易造成脈沖分裂，因此限制了激光功率的提升。利用折射率漸變多模光纖（GRIN MMF）的時(shí)空鎖模，在理論上可獲得很高的功率，而且近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的光束自清潔（Self-cleaning）效應(yīng)有望改善輸出光束質(zhì)量。這篇文章報(bào)導(dǎo)了具有腔內(nèi)克爾誘導(dǎo)光束自清潔特性的多模鎖模光纖激光器，可以產(chǎn)生高能量且光束質(zhì)量良好的飛秒脈沖。

圖1 多模諧振腔模擬系統(tǒng)示意圖

在多模諧振器模擬中， 作者考慮了五個(gè)低階模式共存，系統(tǒng)如圖1所示，仿真初始條件為量子噪聲場(chǎng)，脈沖演化過(guò)程中的脈寬及譜寬變化如圖2所示。在增益光纖末端可以得到最短的脈沖，脈寬為450 fs，也對(duì)應(yīng)于腔內(nèi)最高的峰值功率，可以使脈沖在GRIN MMF部分達(dá)到克爾誘導(dǎo)光束自清潔的閾值。

圖2 模擬腔中的脈沖演化，脈寬和光譜帶寬隨傳播位置的變化。SA,飽和吸收器;PC,脈沖壓縮

由于摻Y(jié)b增益GRIN MMF的生產(chǎn)非常復(fù)雜，本實(shí)驗(yàn)中采用商業(yè)化階躍折射率增益MMF。與階躍折射率MMF相比，GRIN MMF段在腔內(nèi)的模間色散可以忽略。實(shí)驗(yàn)中，該課題組采用非線性偏振演化(NPE) 實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。二極管泵浦源功率為20W，波長(zhǎng)為976nm，通過(guò)泵浦合束器與1.3米長(zhǎng)的MMF增益光纖熔接。為了激發(fā)GRIN MMF中的高階模，故意在增益光纖與1.4米 GRIN MMF熔接時(shí)引入5μm的偏移。

在第一段GRIN MMF之后，光束準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)一組波片、偏振分束器（PBS）、隔離器、光柵對(duì)（600/mm）以及空間過(guò)濾器（隨機(jī)放置的小孔）?？臻g過(guò)濾器用于限制腔內(nèi)的模態(tài)，在多模激光腔的實(shí)驗(yàn)中，在沒(méi)有模態(tài)濾波的情況下，鎖模在長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振蕩。在上述腔中，隨機(jī)放置的針孔能夠確保穩(wěn)定的鎖模。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的針孔位置，空間光束的分布保持不變。腔中的光柵對(duì)引入較大負(fù)色散，導(dǎo)致進(jìn)入GRIN MMF的脈沖帶有一定的負(fù)啁啾，因而脈沖在GRIN MMF及增益MMF中會(huì)被壓縮。

圖3 多?？藸栒T導(dǎo)自清潔效應(yīng)諧振腔實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)中脈沖由連續(xù)輸出到鎖模輸出演化如圖4所示，可見(jiàn)當(dāng)被動(dòng)鎖模發(fā)生后，伴隨著激光腔內(nèi)形成飛秒脈沖，克爾誘導(dǎo)的自清潔效應(yīng)極大地提高了光束質(zhì)量。

圖4 減少腔損耗從連續(xù)波到鎖模狀態(tài)的輸出光束演化（8nJ輸出脈沖能量）

如圖5所示，當(dāng)泵浦功率為3.5 W時(shí)，可以產(chǎn)生20 nJ、3.88ps的脈沖，光譜寬40nm，脈沖在腔外由光柵對(duì)可以壓縮到97fs，M2測(cè)量平均結(jié)果為1.13（M2x=1.08，M2y=1.17）。

圖5輸出能量為20nJ時(shí)的輸出光束參數(shù)

該課題組實(shí)驗(yàn)中觀察到M2值隨著脈沖能量的增加而減小，證明腔內(nèi)確實(shí)發(fā)生了克爾誘導(dǎo)的自清潔效應(yīng)，該實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了高能量超快光纖激光器的新方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ugur Tegin, Babak Rahmani, Eirini Kakkava, Demetri Psaltis, and Christophe Moser "Single-mode output by controlling the spatiotemporal nonlinearities in mode-locked femtosecond multimode fiber lasers," Advanced Photonics 2(5), 056005 (16 October 2020).