中文|English
zju
当前位置:首页>新闻动态>科研进展
刘雪明教授团队在PRL上发表论文:超快激光中调Q到锁模演化的实时测量

来源:管理员   时间:2019-09-05

       近期,浙江大学光电科学与工程学院刘雪明教授课题组通过巧妙设计光纤激光系统,利用时间展宽色散傅里叶变换(TSDFT)技术,首次在实验中直接观测到了超快激光从调Q(Q switching)到锁模(mode locking)的完整转换过程,取得了超快激光非线性领域的重要突破,为调Q和锁模激光光源的研制提供了新的方向。


       超快激光在通信、传感、精密测量、光学时钟、激光手术、生物成像等方面具有重要的应用价值,涵盖了从科研、医疗到工业、军事等多个领域。超快激光的产生主要有两种技术,即调Q与锁模技术。调Q技术能够实现微秒至纳秒量级的脉冲,具有重复频率低、脉冲能量高、易于放大等特点;锁模技术可以实现皮秒至飞秒量级的激光脉冲,具有高峰值功率、高重复频率、极短时间尺度等特点。利用调Q和锁模技术产生超快脉冲激光在过去几十年一直是国际上的热点研究领域,虽然研究人员进行了大量的理论和实验研究,但是调Q和锁模激光的产生和演化过程仍有诸多未知领域,特别对于从调Q脉冲到锁模激光的转换过程一直是一个未解的谜团。


       新兴的TSDFT技术能够利用色散介质将脉冲光谱信息映射到时域中,突破了传统电子仪器设备的测量带宽限制,实现对脉冲光谱信息的实时记录,能够捕获非重复的瞬态信息。目前,人们采用TSDFT技术已经探测到多种超快现象的复杂动态过程,比如孤子分子的相互作用以及形成过程、孤子爆炸演化过程、光学奇异波的产生以及锁模激光的启动过程等。



图1. (a) 从调Q到锁模演化的示意图,腔内光场依次经历量子噪声、调Q、拍频、锁模等四个过程。(b) 从调Q到锁模演化过程的概念图。(c) 实验观测的一个典型例子。

       刘雪明教授团队基于TSDFT技术,通过对激光谐振腔的巧妙设计,首次在实验中直接观测到超快激光的形成经历了从调Q到锁模的转换过程,如图1所示。该结果与之前观察到的从弛豫振荡到锁模的转换过程截然不同。腔内光场经过初始噪声阶段后,演变为持续时间约1分钟的调Q阶段,调Q脉冲的宽度比锁模脉冲的宽度大3至4个量级,均有相同的时间间隔,明显不同于弛豫振荡过程。经历光谱拍频过程后,调Q脉冲转变为稳定的锁模激光,如图2所示。



图2. 调Q脉冲演化到锁模激光的动力学过程。

       他们提出了调Q脉冲到锁模激光转换的理论模型,并基于该模型数值获得了拍频的整个演化过程,如图3所示。实验与仿真结果证明,拍频阶段存在多个脉冲,由于非线性折射率和色散导致的时间延迟,不同脉冲会在传输过程中发生干涉,产生拍频图案(Beating pattern)。



图3.数值模拟结果。(a)和(b)分别是光谱演化和时域演化。

       超快激光中调Q到锁模转换过程的首次发现与测量有助于人们对超快激光器中孤子形成机制的深入理解,为超快瞬态动力学和脉冲演化路径带来了全新的认识,对超短脉冲激光器的设计和应用具有重要的意义。


       相关研究成果以“Revealing the transition dynamics from Q-switching to mode-locking in a soliton laser”为题于2019年8月发表在Physical Review Letters [123, 093901 (2019)] 上。浙江大学现代光学仪器国家重点实验室为第一单位,剑桥大学和澳大利亚国立大学为合作单位,刘雪明教授为第一作者和通讯作者。该项研究得到了国家杰出青年基金和国家自然科学基金资助。


       原文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.093901