建造飛秒光纖激光器往往使用單模光纖，其較小的芯徑伴隨著很強(qiáng)的非線性，易造成脈沖分裂，因此限制了激光功率的提升。利用折射率漸變多模光纖（GRIN MMF）的時空鎖模，在理論上可獲得很高的功率，而且近年來發(fā)現(xiàn)的光束自清潔（Self-cleaning）效應(yīng)有望改善輸出光束質(zhì)量。這篇文章報導(dǎo)了具有腔內(nèi)克爾誘導(dǎo)光束自清潔特性的多模鎖模光纖激光器，可以產(chǎn)生高能量且光束質(zhì)量良好的飛秒脈沖。
圖1 多模諧振腔模擬系統(tǒng)示意圖
在多模諧振器模擬中， 作者考慮了五個低階模式共存，系統(tǒng)如圖1所示，仿真初始條件為量子噪聲場，脈沖演化過程中的脈寬及譜寬變化如圖2所示。在增益光纖末端可以得到最短的脈沖，脈寬為450 fs，也對應(yīng)于腔內(nèi)最高的峰值功率，可以使脈沖在GRIN MMF部分達(dá)到克爾誘導(dǎo)光束自清潔的閾值。
圖2 模擬腔中的脈沖演化，脈寬和光譜帶寬隨傳播位置的變化。SA,飽和吸收器;PC,脈沖壓縮
由于摻Y(jié)b增益GRIN MMF的生產(chǎn)非常復(fù)雜，本實驗中采用商業(yè)化階躍折射率增益MMF。與階躍折射率MMF相比，GRIN MMF段在腔內(nèi)的模間色散可以忽略。實驗中，該課題組采用非線性偏振演化(NPE) 實現(xiàn)被動鎖模，實驗裝置如圖3所示。二極管泵浦源功率為20W，波長為976nm，通過泵浦合束器與1.3米長的MMF增益光纖熔接。為了激發(fā)GRIN MMF中的高階模，故意在增益光纖與1.4米 GRIN MMF熔接時引入5μm的偏移。
在第一段GRIN MMF之后，光束準(zhǔn)直后經(jīng)過一組波片、偏振分束器（PBS）、隔離器、光柵對（600/mm）以及空間過濾器（隨機(jī)放置的小孔）。空間過濾器用于限制腔內(nèi)的模態(tài)，在多模激光腔的實驗中，在沒有模態(tài)濾波的情況下，鎖模在長期運行中會產(chǎn)生振蕩。在上述腔中，隨機(jī)放置的針孔能夠確保穩(wěn)定的鎖模。實驗中發(fā)現(xiàn)，對于不同的針孔位置，空間光束的分布保持不變。腔中的光柵對引入較大負(fù)色散，導(dǎo)致進(jìn)入GRIN MMF的脈沖帶有一定的負(fù)啁啾，因而脈沖在GRIN MMF及增益MMF中會被壓縮。
圖3 多模克爾誘導(dǎo)自清潔效應(yīng)諧振腔實驗示意圖
實驗中脈沖由連續(xù)輸出到鎖模輸出演化如圖4所示，可見當(dāng)被動鎖模發(fā)生后，伴隨著激光腔內(nèi)形成飛秒脈沖，克爾誘導(dǎo)的自清潔效應(yīng)極大地提高了光束質(zhì)量。
圖4 減少腔損耗從連續(xù)波到鎖模狀態(tài)的輸出光束演化（8nJ輸出脈沖能量）
如圖5所示，當(dāng)泵浦功率為3.5 W時，可以產(chǎn)生20 nJ、3.88ps的脈沖，光譜寬40nm，脈沖在腔外由光柵對可以壓縮到97fs，M2測量平均結(jié)果為1.13（M2x=1.08，M2y=1.17）。
圖5輸出能量為20nJ時的輸出光束參數(shù)
該課題組實驗中觀察到M2值隨著脈沖能量的增加而減小，證明腔內(nèi)確實發(fā)生了克爾誘導(dǎo)的自清潔效應(yīng)，該實驗開辟了高能量超快光纖激光器的新方向。
參考文獻(xiàn)：
[1] Ugur Tegin, Babak Rahmani, Eirini Kakkava, Demetri Psaltis, and Christophe Moser "Single-mode output by controlling the spatiotemporal nonlinearities in mode-locked femtosecond multimode fiber lasers," Advanced Photonics 2(5), 056005 (16 October 2020).
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