原創 長光所Light中心 中國光學
撰稿 | 何泊衢 博士（華東師范大學）
01
導讀
克爾諧振器是一種結構很簡單，卻能產生很復雜的非線性現象的光學系統。應用前景在于超快飛秒脈沖和光學頻率梳的產生，其中光學頻率梳在精密光譜、頻率合成、精準測距、阿秒脈沖產生甚至天文光譜校準方面都有重要的應用。然而，相對于傳統的鎖模光纖激光器，克爾諧振器的相關研究尚淺，一些關鍵技術參數不如前者，有待科學工作者去開拓創新，技術突破。
近日，Physical Review Letters期刊以“Stretched-Pulse Soliton Kerr Resonators”為題報道了一種基于展寬脈沖孤子的色散管理光纖克爾諧振器（如圖一所示），可以產生210fs的脈沖，是同類型光源迄今為止產生最短的脈沖。
這項工作由美國三大光學中心之一羅徹斯特大學（University of Rochester）的光學研究所教授William H. Renninge團隊完成，Xue Dong是第一作者和通訊作者。
圖1 展寬脈沖孤子光源
圖源：University of Rochester
02
背景介紹
強有力的通用激光光源一直是學術界和產業界的關注焦點，同時也與我們日常生活息息相關。小到手機logo的激光打標，大到5G時代的光通信，近到鋼材鋼板的激光切割，遠到北斗上的時間頻率標準設備，都離不開激光光源。
傳統激光光源可以是固體激光器、半導體激光器以及光纖激光器等等。眾所周知，新的技術出現往往意味著新的可能性，新的探索邊界意味著迷霧之外的廣闊天地。克爾諧振器就是一種產生超快激光的新技術。
克爾諧振器，通過連續激光器泵浦，通過參量頻率轉換產生寬帶的腔內模式。通過建立腔內模式的相位穩定關系以及時間相干性，克爾諧振器可以產生鎖模脈沖。
克爾諧振器作為激光光源而言，相對于光纖激光器，理論上可以產生任意波長和重復頻率的激光脈沖，不受增益介質的限制。這是最吸引研究者的地方。然而，未來是光明的，道路是崎嶇的。對于光纖克爾諧振器的研究尚少，很多問題有待厘清。例如，用于鎖模激光器中的高級技術，如色散管理，能否用于克爾諧振器？
03
創新研究
針對以上問題，羅徹斯特大學的Xue Dong等人進行了相關研究。具體的實驗裝置圖如圖2所示。
脈沖在一個振蕩器或者激光器中形成，是腔內群速度色散和克爾非線性相位達到平衡的一個結果。對腔內色散人為地進行管理，當腔內色散接近零，此時可以形成展寬脈沖，有利于產生很短的飛秒脈沖。具體來說，脈沖受到正色散的影響會展寬，受到負色散的影響會壓縮。在一個色散精細設計的腔內，脈沖在腔內運行的時候，會展寬而又壓縮，在一次腔內循環中兩次到達傅里葉變換極限的脈寬。
文章創新之處在于通過數值模擬以及實驗驗證，表明色散管理技術可以用于光纖克爾諧振器，產生超短脈沖，最短可以到210fs。脈沖展寬和壓縮的比值可以到3：1。對于脈沖的時域和頻域進行測量，形狀是高斯型，也應證了處于展寬脈沖機制。傅里葉變換受限的脈沖寬度強烈依賴于腔內總色散和驅動功率。
圖2 展寬脈沖克爾諧振器的實驗裝置圖
圖源：Phys. Rev. Lett. 125，033902（2020）（Fig.2）
04
應用與展望
受益于光纖優秀的熱管理能力、單模運行、低波導損失以及商業化的高質量器件，光纖克爾諧振器有望在全光學緩存、長距離相互作用、空間時間不穩定性等方面得到技術拓展。展寬脈沖的克爾光纖諧振器，也給無波長依賴的超快光纖光源，提供了一種新的技術路線。同時也給微環諧振器和體增強諧振腔相關技術轉移帶來新的希望。讓我們對未來拭目以待。
文章信息
相關成果以Stretched-Pulse Soliton Kerr Resonators為題，發表在 Physical Review Letters 。
論文地址：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.033902
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