上海光機(jī)所在孤子鎖模光纖激光器研究方面取得進(jìn)展

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與激光技術(shù)新體系融合創(chuàng)新中心在孤子鎖模光纖激光器研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了鎖模光纖激光器中色散波輻射的物理機(jī)制及其時(shí)域表征。相關(guān)研究成果以“Characterization and Manipulation of Temporal Structures of Dispersive Waves in a Soliton Fiber Laser”為題發(fā)表于IEEE光學(xué)期刊《光波技術(shù)雜志》（Journal of Lightwave Technology）。

孤子激光器中的色散波在頻域上以凱利邊帶（Kelly sideband）的形式與孤子一同產(chǎn)生，由S. M. Kelly在1992年首次發(fā)現(xiàn)并解釋，由孤子脈沖在鎖模激光器內(nèi)的周期性放大和衰減所產(chǎn)生，體現(xiàn)在孤子光譜上為一系列關(guān)于中心波長(zhǎng)對(duì)稱分布的光譜邊帶，是與孤子穩(wěn)定性密切相關(guān)的光波成分。在鎖模激光器中，凱利邊帶的產(chǎn)生是限制孤子脈沖能量的重要因素，往往需要通過(guò)一些技術(shù)方法加以壓制；同時(shí)，色散波也可以成為孤子之間長(zhǎng)距離相互作用的媒介，影響孤子序列的穩(wěn)定性。之前絕大多數(shù)對(duì)于孤子激光器中色散波的實(shí)驗(yàn)研究集中在對(duì)于其頻域特性（即凱利邊帶）的研究，而對(duì)色散波時(shí)域結(jié)構(gòu)的研究卻十分缺乏，不同激光器參數(shù)條件對(duì)色散波時(shí)域結(jié)構(gòu)的影響尚無(wú)完整的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)建立了孤子光纖激光器中色散波時(shí)域結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，用以分析兩個(gè)重要因素：一是腔內(nèi)群速度延遲導(dǎo)致的相位匹配關(guān)系變化，二是腔內(nèi)的增益濾波效應(yīng)；從而推導(dǎo)出了具有雙邊指數(shù)衰減形式的色散波包絡(luò)形態(tài)。在實(shí)驗(yàn)上，團(tuán)隊(duì)搭建了單向環(huán)形鎖模光纖激光器，并通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)色散（改變腔長(zhǎng) 30~110 m）以及腔損耗(0~7 dB)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)色散波時(shí)頻波形的調(diào)控與測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型的預(yù)測(cè)一致。此外，團(tuán)隊(duì)也研究了色散波和孤子的響應(yīng)時(shí)間延遲，色散波結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性等色散波特征。這項(xiàng)研究可加深對(duì)孤子光纖激光器動(dòng)力學(xué)過(guò)程的理解，也為超快光纖激光、光孤子信息處理等應(yīng)用技術(shù)發(fā)展提供了一定的參考。

圖1.色散波產(chǎn)生原理

圖2.腔色散對(duì)色散波衰減速率影響

圖3.腔損耗對(duì)色散波衰減速率影響

相關(guān)工作得到了張江實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與運(yùn)行項(xiàng)目、2021年度博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、中國(guó)博后科學(xué)基金、上海市2021年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”原創(chuàng)探索項(xiàng)目、國(guó)家青年高層次人才項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9963696/references