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刘雪明教授团队在LPR上发表论文揭示谐波锁模孤子产生的完整动力学过程

来源:管理员   时间:2019-08-02

       日前,本课题组采用时间展宽色散傅里叶变换技术(TS-DFT)首次实现了对谐波锁模(HML)孤子动力学过程的全程实时探测,发现了谐波锁模孤子在形成过程中所必经的七个阶段。这项研究成果发表在最新一期《激光与光子学评论》上[Laser & Photonics Reviews 13, 1800333 (2019)],文章标题为“Revealing the Buildup Dynamics of Harmonic Mode-Locking States in Ultrafast Lasers”。


       具有高重频的超快激光器在超精密光谱学、微波光子学、高速光学采样和数据存储等领域有着诸多潜在的应用价值。而谐波锁模是产生高重频超短脉冲的一项重要技术之一。通过主动锁模、被动锁模和混合锁模等方式可以实现稳定工作的谐波锁模光纤激光器,而基于被动锁模的谐波光纤激光器能够实现十几GHz重频,且能够自稳定,具有较强应用价值。


       但对于谐波是如何产生的,以及是通过什么机制实现自稳定等问题多年来一直困扰着研究人员们,这些问题的解决对于谐波激光器的设计和实现等方面都能够起到较大的指导价值。


       在谐波锁模状态下激光腔内的多脉冲是均匀分布在腔内的。一方面,由于外界环境诸如温度的变化以及机械振动等因素的存在,谐波锁模状态受到随机的扰动从而变的不稳定,因而谐波锁模在普通非保偏光纤激光器中只能在较短的时间内保持稳定。另一方面,可控制的基于被动锁模的谐波也很难实现。全保偏光纤激光器可以不受这些变化和振动的影响,同时利用光纤的腔内模式和声波共振的耦合提供的强大的光机械相互作用,可产生“控制元件”从而使得激光器的谐波锁模工作可控、稳定。



图1谐波锁模形成过程中七个阶段的概念图

       本团队以时间展宽色散傅里叶变换技术为基础,结合专门设计的全保偏光学激光腔,首次对无源谐波锁模的形成动力学过程进行了详细的实验研究。实验表明,谐波锁模的形成过程主要包括增强的弛豫振荡、拍频动力学、单个巨脉冲的产生、自相位调制引起的不稳定性、脉冲分裂、多个脉冲的排斥和分离以及稳定的谐波锁模状态等七个阶段,如图1所示。通过声波共振的光机械作用力能够使得脉冲实现自稳定过程,并能够长时间运行。



图2 (a)完整的谐波锁模的形成过程DFT测量结果 (b) 图a中框内区域放大结果

       图2展示了从噪声激光到单脉冲锁模以及最终稳定的五次谐波锁模的整个演化过程。很明显可以看出在1.06×105 RTs附近处腔内脉冲演化轨迹出现一个较大拐角,其前后演化轨迹是相当不同的,表明在这个拐角处脉冲峰值功率有一个相当明显的下降。



图3五次谐波锁模形成初期阶段的排斥和分离过程

       通过分析拐角处自相关轨迹发现,激光的谐波锁模源于单个巨大脉冲的分裂,同时在谐波锁模形成过程的早期多个脉冲直接相互排斥,并出现了呼吸模式,最终形成稳定的谐波锁模,如图3所示。同时数值模拟证实了色散波、增益的损耗和恢复效应、声波共振和光机械相互作用分别在谐波锁模形成的初期、中期以及后期对谐波锁模的形成和稳定起到了重要作用。通过光声效应形成的一种捕获势,声波共振可以使得不同次数的谐波锁模激光器(从第一次到第六次)在适当的泵浦强度下可以长期稳定工作。


       该工作得到了国家杰出青年基金和国家自然科学基金的支持。


       原文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201800333