近日，北京交通大學物理科學與工程學院激光研究所鄭義、彭繼迎團隊與北京郵電大學電子工程學院肖曉晟課題組合作，在時空鎖模方面取得了重要進展。合作團隊基于多模增益光纖和無源光纖，研制了一種結構簡單的高光束質量高功率全光纖時空鎖模激光器，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。該研究為時空鎖模激光的研究和應用打開了一個新的窗口，為高功率高光束質量超短脈沖光纖激光器提供了一種新的實現方法。相關研究成果以“Investigation of High‐Power Spatiotemporal Mode‐Locking with High Beam Quality”為題，于2023年7月20日在線發表于Laser & Photonics Reviews上。北京交通大學物理科學與工程學院博士生張懷偉為論文第一作者，北京交通大學物理科學與工程學院彭繼迎和北京郵電大學電子工程學院肖曉晟為論文共同通信作者。2017年時空鎖模首次被提出，而后迅速成為鎖模激光領域的研究熱點。時空鎖模即多橫模和縱模的同時鎖定。由于多模光纖額外的空間自由度，時空鎖模激光器不僅成為研究復雜非線性時空動力學的平臺，而且有望實現高功率高能量脈沖輸出，為實用化大功率超短脈沖振蕩器的研制提供切實可行的方案。因此，無論是從基礎科學還是應用角度研究時空鎖模激光器都有著重要的意義。目前，對時空鎖模的報道主要集中在基礎科學如非線性動力學的研究等方面，而如何將時空鎖模激光器實用化，亟待研究。從應用的角度，如何利用多模增益光纖的優勢，在全光纖、結構簡單的激光器中實現高穩定高功率鎖模的運轉，同時克服散斑畸變實現高光束質量輸出，具有重要的研究價值，但同時也具有很大的挑戰性。在本工作中，研究團隊提出利用光纖自身或光纖續接時產生的濾波功能構建“虛擬濾波器”結構，采用階躍折射率多模增益光纖減小非線性，并且巧妙運用多模光纖中的自清潔效應，使得時空鎖模、高功率、高光束質量機制互通、相互支撐，設計了一個結構簡單的全正色散多模腔，在鎖模激光器中實現了對場的時空控制。實驗裝置如圖1所示。圖1 實驗裝置。Yb-doped MMF,增益光纖(20/125)；OM4 ,漸變折射率多模光纖(50/125)；PD-ISO，偏振相關隔離器；FMF，少模光纖(10/125)；STIN MMF,階躍折射率多模光纖當泵浦功率相對較低時，時空鎖模激光器工作在耗散孤子狀態。時空鎖模的最大平均輸出功率高達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，仿真研究了腔內脈沖的演化過程，如圖2所示。圖2 耗散孤子狀態下，激光器的輸出參數和相應的腔內脈沖時域和頻域演化的數值模擬如圖3所示，時空鎖模激光器工作在類噪聲脈沖狀態時，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。研究人員進一步發現，通過減小腔內少模光纖長度，在保持高質量的輸出光束輪廓的同時，可以將最大平均輸出功率提升至3.48 W。
圖3 (a) (b) (c)類噪聲脈沖狀態下，激光器的輸出參數。(d)隨少模光纖長度減少，輸出功率的變化研究人員認為，高質量光束的形成是因為高功率脈沖在多模光纖中傳輸時，在腔內誘導了克爾光束自清潔效應，并且采用數值模擬研究了這一現象，如圖4所示。光束自清潔促使高階模能量耦合到基模，又反過來促進振蕩器高功率運轉時的穩定，高功率和高光束質量機制互通、相互支撐。
圖4 數值研究多模光纖內的克爾光束自清潔效應該工作創新設計、化繁為簡，有效平衡諧振腔內多種機制，利用普通的光纖和器件，構建了一個結構簡單的全光纖、高光束質量、高功率的時空鎖模激光器；將時空鎖模激光器的平均輸出功率提升到瓦級以上，并且當高功率脈沖傳輸時，腔內誘導了光束自清潔而同時產生高質量光束；為進一步研究高功率下時空鎖模激光的行為和探索極端事件提供了平臺，也為研制實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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