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(tuán)隊(duì)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(shí)空鎖模方面取得了重要進(jìn)展。合作團(tuán)隊(duì)基于多模增益光纖和無(wú)源光纖，研制了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高光束質(zhì)量高功率全光纖時(shí)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(shí)空鎖模激光的研究和應(yīng)用打開(kāi)了一個(gè)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(shí)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(shí)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(diǎn)。時(shí)空鎖模即多橫模和縱模的同時(shí)鎖定。由于多模光纖額外的空間自由度，時(shí)空鎖模激光器不僅成為研究復(fù)雜非線性時(shí)空動(dòng)力學(xué)的平臺(tái)，而且有望實(shí)現(xiàn)高功率高能量脈沖輸出，為實(shí)用化大功率超短脈沖振蕩器的研制提供切實(shí)可行的方案。因此，無(wú)論是從基礎(chǔ)科學(xué)還是應(yīng)用角度研究時(shí)空鎖模激光器都有著重要的意義。目前，對(duì)時(shí)空鎖模的報(bào)道主要集中在基礎(chǔ)科學(xué)如非線性動(dòng)力學(xué)的研究等方面，而如何將時(shí)空鎖模激光器實(shí)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(shì)，在全光纖、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的激光器中實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定高功率鎖模的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)克服散斑畸變實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量輸出，具有重要的研究?jī)r(jià)值，但同時(shí)也具有很大的挑戰(zhàn)性。在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)提出利用光纖自身或光纖續(xù)接時(shí)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(yùn)用多模光纖中的自清潔效應(yīng)，使得時(shí)空鎖模、高功率、高光束質(zhì)量機(jī)制互通、相互支撐，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的全正色散多模腔，在鎖模激光器中實(shí)現(xiàn)了對(duì)場(chǎng)的時(shí)空控制。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖1 實(shí)驗(yàn)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(duì)較低時(shí)，時(shí)空鎖模激光器工作在耗散孤子狀態(tài)。時(shí)空鎖模的最大平均輸出功率高達(dá)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(guò)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(shí)域和頻域演化的數(shù)值模擬如圖3所示，時(shí)空鎖模激光器工作在類噪聲脈沖狀態(tài)時(shí)，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(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過(guò)減小腔內(nèi)少模光纖長(zhǎng)度，在保持高質(zhì)量的輸出光束輪廓的同時(shí)，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(zhǎng)度減少，輸出功率的變化研究人員認(rèn)為，高質(zhì)量光束的形成是因?yàn)楦吖β拭}沖在多模光纖中傳輸時(shí)，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(guò)來(lái)促進(jìn)振蕩器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定，高功率和高光束質(zhì)量機(jī)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(jì)、化繁為簡(jiǎn)，有效平衡諧振腔內(nèi)多種機(jī)制，利用普通的光纖和器件，構(gòu)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的全光纖、高光束質(zhì)量、高功率的時(shí)空鎖模激光器；將時(shí)空鎖模激光器的平均輸出功率提升到瓦級(jí)以上，并且當(dāng)高功率脈沖傳輸時(shí)，腔內(nèi)誘導(dǎo)了光束自清潔而同時(shí)產(chǎn)生高質(zhì)量光束；為進(jìn)一步研究高功率下時(shí)空鎖模激光的行為和探索極端事件提供了平臺(tái)，也為研制實(shí)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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