近日，北京交通大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院激光研究所鄭義、彭繼迎團隊與北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院肖曉晟課題組合作，在時空鎖模方面取得了重要進展。合作團隊基于多模增益光纖和無源光纖，研制了一種結(jié)構(gòu)簡單的高光束質(zhì)量高功率全光纖時空鎖模激光器，激光器可分別工作在多模耗散孤子鎖模和類噪聲脈沖鎖模狀態(tài)。該研究為時空鎖模激光的研究和應(yīng)用打開了一個新的窗口，為高功率高光束質(zhì)量超短脈沖光纖激光器提供了一種新的實現(xiàn)方法。相關(guān)研究成果以“Investigation of High‐Power Spatiotemporal Mode‐Locking with High Beam Quality”為題，于2023年7月20日在線發(fā)表于Laser & Photonics Reviews上。北京交通大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院博士生張懷偉為論文第一作者，北京交通大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院彭繼迎和北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院肖曉晟為論文共同通信作者。2017年時空鎖模首次被提出，而后迅速成為鎖模激光領(lǐng)域的研究熱點。時空鎖模即多橫模和縱模的同時鎖定。由于多模光纖額外的空間自由度，時空鎖模激光器不僅成為研究復(fù)雜非線性時空動力學(xué)的平臺，而且有望實現(xiàn)高功率高能量脈沖輸出，為實用化大功率超短脈沖振蕩器的研制提供切實可行的方案。因此，無論是從基礎(chǔ)科學(xué)還是應(yīng)用角度研究時空鎖模激光器都有著重要的意義。目前，對時空鎖模的報道主要集中在基礎(chǔ)科學(xué)如非線性動力學(xué)的研究等方面，而如何將時空鎖模激光器實用化，亟待研究。從應(yīng)用的角度，如何利用多模增益光纖的優(yōu)勢，在全光纖、結(jié)構(gòu)簡單的激光器中實現(xiàn)高穩(wěn)定高功率鎖模的運轉(zhuǎn)，同時克服散斑畸變實現(xiàn)高光束質(zhì)量輸出，具有重要的研究價值，但同時也具有很大的挑戰(zhàn)性。在本工作中，研究團隊提出利用光纖自身或光纖續(xù)接時產(chǎn)生的濾波功能構(gòu)建“虛擬濾波器”結(jié)構(gòu)，采用階躍折射率多模增益光纖減小非線性，并且巧妙運用多模光纖中的自清潔效應(yīng)，使得時空鎖模、高功率、高光束質(zhì)量機制互通、相互支撐，設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)簡單的全正色散多模腔，在鎖模激光器中實現(xiàn)了對場的時空控制。實驗裝置如圖1所示。圖1 實驗裝置。Yb-doped MMF,增益光纖(20/125)；OM4 ,漸變折射率多模光纖(50/125)；PD-ISO，偏振相關(guān)隔離器；FMF，少模光纖(10/125)；STIN MMF,階躍折射率多模光纖當(dāng)泵浦功率相對較低時，時空鎖模激光器工作在耗散孤子狀態(tài)。時空鎖模的最大平均輸出功率高達1.16 W；輸出光束輪廓的Mx2 = 1.18，My2 = 1.13。輸出脈沖可以去啁啾到137 fs。此外，利用多模非線性薛定諤方程建立模型，仿真研究了腔內(nèi)脈沖的演化過程，如圖2所示。圖2 耗散孤子狀態(tài)下，激光器的輸出參數(shù)和相應(yīng)的腔內(nèi)脈沖時域和頻域演化的數(shù)值模擬如圖3所示，時空鎖模激光器工作在類噪聲脈沖狀態(tài)時，最大平均輸出功率為2.37 W，輸出光束輪廓的Mx2 = 1.18，My2 = 1.13。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，通過減小腔內(nèi)少模光纖長度，在保持高質(zhì)量的輸出光束輪廓的同時，可以將最大平均輸出功率提升至3.48 W。
圖3 (a) (b) (c)類噪聲脈沖狀態(tài)下，激光器的輸出參數(shù)。(d)隨少模光纖長度減少，輸出功率的變化研究人員認為，高質(zhì)量光束的形成是因為高功率脈沖在多模光纖中傳輸時，在腔內(nèi)誘導(dǎo)了克爾光束自清潔效應(yīng)，并且采用數(shù)值模擬研究了這一現(xiàn)象，如圖4所示。光束自清潔促使高階模能量耦合到基模，又反過來促進振蕩器高功率運轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定，高功率和高光束質(zhì)量機制互通、相互支撐。
圖4 數(shù)值研究多模光纖內(nèi)的克爾光束自清潔效應(yīng)該工作創(chuàng)新設(shè)計、化繁為簡，有效平衡諧振腔內(nèi)多種機制，利用普通的光纖和器件，構(gòu)建了一個結(jié)構(gòu)簡單的全光纖、高光束質(zhì)量、高功率的時空鎖模激光器；將時空鎖模激光器的平均輸出功率提升到瓦級以上，并且當(dāng)高功率脈沖傳輸時，腔內(nèi)誘導(dǎo)了光束自清潔而同時產(chǎn)生高質(zhì)量光束；為進一步研究高功率下時空鎖模激光的行為和探索極端事件提供了平臺，也為研制實用化的超短脈沖激光器提供了一種有潛力的方案。
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