Advanced Photonics | 实时观测锁模激光孤子形成的动力学过程

  背景

锁模是一种将大量纵模锁定在一起以产生超快脉冲的技术。锁模激光器使一些最精确的测量成为可能，例如，基于频率梳的计量学。被动锁模光纤激光器以其结构紧凑、成本低廉、稳定性高、噪声低等优点，在光纤通信、光学传感、精密计量、显微成像等领域有着广泛的应用。锁模光纤激光器也是研究人员探索新型光学非线性现象的理想平台。

自20世纪90年代以来，研究人员对锁模激光的启动动力学进行了理论和实验研究，但没有直接测量脉冲激光形成过程中的光谱动力学。由于电子器件的响应速度限制，传统技术无法测量瞬态非重复过程。

基于新兴的时间拉伸色散傅里叶变换（TS-DFT）技术的实时光谱学可以将光波的光谱信息映射到时域中，从而为锁模激光中的非线性动力学研究打开了一扇迷人的大门。TS-DFT技术为超快现象的实时单次测量提供了一种强有力的方法。利用TS-DFT技术，科学家捕获了锁模激光中飞秒脉冲序列的光谱演化过程和瞬态相干多孤子态。

最近，通过利用TS-DFT技术，Herink等人观察到了孤子分子内部的动力学过程 (Science 356, 50, 2017)，并分辨出了锁模激光中孤子的产生过程 (Nat. Photon. 10, 321, 2016)，演示了从瞬态到稳定束缚态的过程。Ryczkowski等人测量到了锁模激光中瞬态耗散孤子动力学的实时全场特性 (Nat. Photon. 12, 221, 2018)，描述了在超短耗散孤子动力学稳定前通过一个具有复杂分裂和碰撞的瞬态不稳定区域时的光谱和时间演化。然而，迄今为止还没有直接观察到锁模激光中孤子产生的完整动力学过程。

❖

孤子形成的完整过程

锁模激光的自启动过程对环境扰动非常敏感，这使得激光的瞬态行为偏离了孤子形成的真实过程。通过减小环境扰动、提高激光系统的稳定性、优化锁模器件，可以完全抑制调Q激发。

浙江大学刘雪明教授课题组采用隔离器、波分复用器、耦合器等集成技术，降低外界扰动，同时优化偏振不敏感的碳纳米管锁模器及光纤激光器的色散管理，首次在锁模激光中观察到了孤子形成的完整过程，揭示了孤子产生的两种可能途径。

其中一种途径包括了增强弛豫振荡、准锁模阶段、谱拍频行为，以及最后的稳定单孤子锁模等动力学。另一种途径额外包含了在最终单脉冲锁模运行前的瞬时束缚态阶段。图1展示了锁模激光中孤子整个形成过程中不同阶段的概念示意图。上排和下排分别表示了时域和谱域中孤子的整个形成过程。相关成果以Revealing the behavior of soliton build-up in a mode-locked laser 为题发表在Advanced Photonics 第一期上。

图1 锁模激光中孤子整个形成过程的概念示意图，依次经历了增强弛豫振荡、准锁模阶段、光谱拍频动力学、瞬态束缚态阶段和稳定锁模。上排和下排：分别表示在时域和谱域中孤子的整个形成过程。

展望未来

此外，该课题组还提出了理论模型来描述孤子产生过程中的增强弛豫振荡和演化动力学，并成功预测了孤子产生的建立时间。这个发现为超快瞬态动力学提供了新的视角，并为激光器设计和应用带来了新想法。实时光谱学技术有望为复杂非线性系统中更广泛的现象提供新的见解。

作者简介

刘雪明

刘雪明教授在2000年7月于东南大学获工学博士学位， 2016年起担任浙江大学光电科学与工程学院教授、博士生导师，获得国家杰出青年科学基金，主要从事激光技术、光通信器件、非线性光学等方面的研究。

End

推荐阅读

首发前沿光学成果，放送新鲜光学活动

如需转载，请直接留言。

商务合作：高先生 13585639202（ 微信手机同号）

免责声明

       本文注明来源为其他媒体或网站的文/图等稿件均为转载，如涉及版权等问题，请作者在20个工作日之内来电或来函联系，我们将协调给予处理（按照法规支付稿费或删除）。

       最终解释权归《中国激光》杂志社所有。