时空锁模光纤激光器中孤子与类噪声脉冲转换的动力学过程

《Optical Fiber Technology》：Dynamics of soliton and noise-like pulse conversion in spatiotemporal mode-locked fiber lasers

孤子与噪声脉冲的动态互转机制研究：基于空间-时间锁模光纤激光器的实验与模拟，揭示了能量波动引发的模式竞争促使孤子能量增加，反向饱和吸收效应触发孤子向噪声脉冲转换，噪声脉冲通过能量释放回归稳定孤子态的动态过程，建立了多模非线性薛定谔方程模型。

　　

Jin Li|Jie Liu|Wei Xu|Lisheng Liu|Guangpeng Zhou|Yaoyuan Zhang|Wenyu Wang|Yue Wang|Boyan Zhang|Jiangyong He|Zhi Wang|Rui Wang|Zhengwei Li

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，中国长春 130033

摘要

在本研究中，我们观察了时空锁模光纤激光器中孤子与类噪声脉冲之间相互转换的动态过程。孤子和类噪声脉冲具有不同的群速度，转换过程伴随着能量的吸收和释放。通过仿真，我们进一步实现了孤子与类噪声脉冲之间的相互转换。研究结果表明，当能量波动时，模式竞争会导致孤子功率增加。在反向饱和吸收效应的影响下，孤子会转变为类噪声脉冲；随着类噪声脉冲能量的释放，孤子又会恢复到稳定状态。我们的研究结果对于深入理解时空锁模光纤激光器中类噪声脉冲的形成机制具有重要意义。

引言

光纤激光器包含许多非线性效应，非常适合研究孤子的非线性动力学。基于光纤激光器，已经报道了诸如孤子碰撞[1]、[2]、脉冲孤子[3]、[4]以及孤子爆炸[5]、[6]等现象。类噪声脉冲也是锁模光纤激光器中的常见物理状态[7]、[8]、[9]。通常，在时间域中，类噪声脉冲的大脉冲包络包含许多细微结构，这些细微结构由大量具有随机振幅和相位的超短脉冲组成，且这些结构往往不稳定且不相干。类噪声脉冲的频谱通常较宽且平滑。同时，类噪声脉冲可以携带更大的脉冲能量和更高的峰值功率，在时空锁模光纤激光器中，类噪声脉冲包含多个模式，因此可以实现更高的功率，这使它们在激光加工等领域具有巨大潜力。

类噪声脉冲最初由Horowitz等人提出[7]。他们在掺铒光纤激光器中获得了脉冲宽度超过100 ps、光谱宽度超过40 nm的脉冲输出。随后，类噪声脉冲被扩展到$2\mu m$波长范围[10]。Horowitz指出，通过改变两种偏振状态的时间延迟，强双折射效应可以产生具有一致特性的子脉冲[7]。相比之下，Tang等人在低双折射率且具有反常色散的光纤激光器中也实现了类噪声脉冲的输出，并提出孤子崩塌与腔体正反馈的协同效应是其形成原因，当相位延迟偏移量远离腔体反馈切换点时，孤子在峰值功率达到切换点之前就会崩塌，从而处于持续的生成与破坏动态过程中[11]。此外，L. M. Zhao等人在没有孤子崩塌的正常色散激光器中也观察到了类噪声脉冲，并通过增益引导孤子的峰值功率限制效应来解释这一现象[12]，后续研究进一步发现反向饱和吸收效应可以诱导类噪声脉冲的产生[9]。多孤子向类噪声状态转变的过程已被报道[13]，揭示了从多孤子到类噪声脉冲的单向转变过程，确认这一转变经历了三个阶段：纯多孤子状态、多孤子与类噪声脉冲共存状态以及纯类噪声脉冲状态，并指出前者是一个突变过程，而后者是一个渐进过程，泵浦功率和偏振状态的调整是核心调控手段。

关于类噪声脉冲的研究在单模光纤激光器中较为丰富。近年来，随着时空锁模光纤激光器[14]、[15]的发展，发现了许多时空孤子动力学现象，例如时空自相似脉冲[16]，这突显了时空锁模动力学在脉冲整形和光束清洗中的作用，为高功率超短脉冲的应用奠定了基础。此外，还包括时空孤子分子[17]、Q开关的动态过程和时空孤子转换[18]、时空孤子脉动[19]、时空周期加倍分岔[20]等。Xing等人曾报道过Q开关和类噪声脉冲转换的动态过程[21]，但缺乏理论机制的解释。与单模光纤激光器相比，时空锁模光纤激光器包含多个模式，由于模式的增加带来了复杂的时空特性，孤子的动力学行为更加复杂。目前，关于时空锁模光纤激光器中类噪声脉冲的报道较少，仍需进一步探索。

本文描述了在时空锁模光纤激光器中孤子与类噪声脉冲之间转换的动态过程的实验观察。同时，通过多模非线性薛定谔方程建立了时空锁模光纤激光器的模型。通过引入反向饱和吸收区域实现了类噪声脉冲的产生。此外，通过仿真实现了孤子与类噪声脉冲之间转换的动态过程，这与孤子能量的变化以及模式之间的相互作用有关。

实验装置

实验装置

时空锁模光纤激光器的构造和检测系统如图1所示。980 nm的多模泵浦源（LD）通过泵浦-信号合成器注入环形腔体。增益光纤（Gain Fiber）是一种1.2 m的双包层掺镱光纤（Yb-doped fiber，Liekki YB1200-10/125DC）。增益光纤的另一端连接着一个长周期光纤光栅（LPFG）。理想情况下，光纤模式是正交的，不存在能量交换或模式耦合。

结论

本工作报道了时空锁模光纤激光器中孤子与类噪声脉冲之间相互转换的动态过程。孤子和类噪声脉冲的不同群速度表明它们具有不同的模式成分。通过仿真建立了时空锁模光纤激光器的模型，并探讨了类噪声脉冲的形成机制。研究表明，饱和吸收器的反向饱和效应和模式竞争

作者贡献声明

Jin Li：撰写初稿、进行实验研究、进行形式分析、提出概念框架。Jie Liu：进行形式分析、数据整理。Wei Xu：制定研究方法、参与实验研究。Lisheng Liu：负责数据可视化及实验分析。Guangpeng Zhou：开发软件、进行形式分析。Yaoyuan Zhang：制定研究方法、提出概念框架。Wenyu Wang：参与实验研究。Yue Wang：负责项目管理工作。Boyan Zhang：协调研究资源。Jiangyong He：负责数据整理。Zhi Wang：协调研究资源。Rui Wang：负责项目管理工作。Zhengwei Li：负责资金争取。

资助

吉林与中国科学院高科技产业化科技合作项目（2025SYHZ0022）、国家自然科学基金（12274238）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。