以下文章来源于中国光学 ，作者Light新媒体
撰稿：高晨心、曹博（清华大学）
本文由论文作者团队（课题组）投稿
时空锁模（Spatiotemporal mode-locking, STML），即光纤中的横模和纵模同时锁定，产生高时空相干性的超短脉冲是近年来锁模激光器领域的研究热点。自2017年由康奈尔大学Logan等人首次提出后[1]，得到了广泛关注和研究。一方面，通过空间模式复用是进一步提升锁模激光器超短脉冲能量的潜在解决方案，另一方面，多模光纤锁模激光器为研究高维非线性光学提供了重要科学平台[2,3]。
图1：(a) 时空锁模原理图。频域锁模原理（左）；空域锁模原理（右）(b) 光纤类型示意图：渐变折射率光纤（左）和渐变折射率光纤（右）的折射率分布示意图和通过光纤纤芯光线路径图
相比单模光纤锁模激光器，多模光纤激光器中平衡空间模式之间的走离是最重要也是最困难的问题。
渐变折射率多模光纤（GRIN MMF）具有小的模间色散，克尔非线性效应能够帮助束缚各个模式，使其绑定在一起传输，容易实现时空锁模[1,4]。因此，目前科学家大都通过定制渐变折射率光纤，在较小的模间色散条件下实现时空锁模。但这种定制的渐变折射率光纤价格昂贵，阻碍了多模光纤激光器的发展。
但渐变折射率光纤一般需要定制，这也制约了多模光纤激光器的发展。相比而言，阶跃折射率多模光纤（STIN MMF）则较为成熟，但其模间色散较大，能否利用阶跃折射率多模光纤实现时空锁模将是非常有价值的研究课题。
2021年，清华大学精密仪器系杨昌喜和鲍成英课题组，联合北京邮电大学肖晓晟课题组，在大模间色散下（仅增益光纤是阶跃光纤）的光纤激光腔中实现时空锁模，并提出可饱和吸收体的时空特性在补偿大模间色散中发挥了重要作用。该结果拓展了时空锁模光纤激光器的设计可能性，使得利用常见的阶跃光纤实现时空锁模成为可能，其成果在2021年3月发表于Physical Review Letters (Physical Review Letters, 2021, 126(9): 093901.)。
尽管如此，上述研究中仍然使用了渐变光纤作为被动光纤，对于更大的模间色散，时空可饱和吸收体补偿模间走离的能力十分有限。那么，如何利用全阶跃光纤实现时空锁模？时空锁模的边界在哪里？
近日，清华大学精密仪器系杨昌喜与鲍成英课题组以“All-step-index-fiber spatiotemporally mode-locked laser”为题在Optica发文。
本文系统研究了全阶跃锁模激光器中的时空锁模问题，并提出母子耦合理论揭示其锁模原理，利用阶跃光纤全部替代渐变光纤。全阶跃时空锁模光纤激光器有望提升光纤激光器的能量，并可推进时空锁模光纤激光器的实用化。
图2：(a)基于渐变折射率光纤和阶跃折射率光纤的光纤激光器的时空脉冲传播比较。插图显示了单模光纤(Nufern XP-1060)、GRIN MMF (YOFC OM4)和STIN MMF (Nufern LMA-GDF-25/250-M)之间基本模式的比较 (b)全阶跃时空锁模光纤激光器锁模结果图
该工作实现的全STIN MMF激光器的净模间色散大约是团队之前工作的三倍。通过调节激光腔的参数，如泵浦功率、波片位置、空间耦合条件等可以实现时空锁模，如图2(b)所示，空间滤波和光谱滤波证明该状态是多横模的锁模状态。相较于含有渐变折射率光纤的激光腔，全阶跃多模光纤激光腔的输出脉冲存在皮秒级的走离。
为诠释全阶跃时空锁模光纤激光器中模间色散是如何被补偿的，以及探索模间色散的上限是多少，团队进行了相关仿真并提出母子耦合原理（图3(a)）。模式1（LP01模式）和模式6（LP21模式）的增益损耗平衡依赖于从空间耦合过程中的模式4 （LP11模式）中提取能量，如果没有这个增益，这些模态将经历较大的净损耗并将被耗散。因此，团队将LP11模式称为母模式，将其他模式称为子模式，由空间耦合产生的子模式部分将始终与母模式对齐。
图3：(a)母子耦合理论示意图。(b)时空锁模状态下模式2和模式4之间的脉冲间隔随模间色散的增加而变化。当模间色散较小时，由于非线性的原因，模式间隔可以略小于理论值
原则上STIN MMF激光器中只存在一个简并母模，这种补偿可以在具有无限大模间色散的MMF激光器中实现STML（图3(b)）。然而，如果空间耦合条件促进多个母模式存在，全阶跃光纤激光器则可能工作在多光梳状态。
总之，该团队实现了在全阶跃多模光纤激光器中时空锁模，提出理论上满足母子耦合理论的空间耦合，理论上可以容忍无限大的模间色散实现时空锁模。因此，精确控制空间耦合条件，对全阶跃多模光纤激光器的时空锁模状态的控制具有重要意义。
另外，目前激光器的空间模式数较少，构建模式数量更丰富的全阶跃时空锁模激光器将是未来的研究方向，并有望真正提升时空锁模的输出性能。
论文信息
Chenxin Gao, Bo Cao, Yihang Ding, Xiaosheng Xiao, Dali Yang, Hongyang Fei, Changxi Yang, and Chengying Bao, "All-step-index-fiber spatiotemporally mode-locked laser," Optica 10, 356-363 (2023)
https://doi.org/10.1364/OPTICA.479206
转自：“蔻享学术”微信公众号
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