在掺镱光纤激光器中产生具有多种状态的高能、窄脉冲噪声样脉冲及其动态特性

《Optics & Laser Technology》：Generation and dynamics of high-energy, narrow-spike noise-like pulses with diverse states in an Yb-doped fiber laser

噪声脉冲生成与调控及其超连续谱特性研究。采用空间对齐结构（SAS）与非线性极化演化（NPE）技术，在Yb掺杂光纤激光器中实现了单波长、多峰及宽带噪声脉冲（B-NLPs）的多态输出。单波长操作下输出功率达561 mW，重复频率7.85 MHz，B-NLPs的脉冲宽度降至50.9 fs，并展现出20 dB带宽425 nm的超连续谱特性。通过偏振控制器调控非线性传输曲线，实现了多峰NLPs向宽带NLPs的演化，为噪声脉冲动力学研究提供了高功率、可调谐的通用平台。

　　

李志强|张志豪|王嘉瑞|段兴豪|张阳|王俊丽

西安电子科技大学物理学院，中国陕西省西安市710071

摘要

本研究成功展示了多种类噪声脉冲（NLPs）状态的生成，并系统地研究了不同操作模式下正交偏振光束的输出特性。实现了稳定的单峰和多峰NLPs状态。值得注意的是，在1021.4纳米的单波长操作下，激光器实现了561毫瓦的平均输出功率，对应的重复频率为7.85兆赫。通过调整偏振控制器来调节非线性传输曲线，系统从多峰NLPs演变为宽带NLPs（B-NLPs），其中B-NLPs的最小相干脉冲持续时间为50.9飞秒。此外，通过实现Q开关NLPs操作，获得了425纳米的20分贝带宽，显示出显著的超连续谱生成能力。这些可切换的多状态特性便于灵活的实验观察和腔内偏振分析，从而为研究光纤激光器中的NLPs动态提供了一个通用平台。

引言

近年来，由于被动锁模光纤激光器能够生成高质量、稳定的脉冲，因此在科学研究和工业应用中得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。在反常色散区域会产生常规孤子[4]，而在净正常色散区域则会形成耗散孤子（DS）或自相似脉冲[5]。通过色散管理，可以实现色散管理孤子[6]。除了上述脉冲形式外，还可以生成多种多脉冲状态，如束缚态孤子[7]、孤子雨[8]、谐波锁模脉冲[9]、[10]和类噪声脉冲（NLPs）[11]、[12]。特别值得关注的是，NLPs具有显著的特性：它们呈现出双尺度时间结构——一个由随机分布的亚皮秒/飞秒级子脉冲组成的巨大类噪声波包，建立在纳秒级基座上，并具有飞秒级持续时间的相干脉冲[13]。此外，NLPs的输出具有明显的特征，包括平滑的宽带光谱、对称的射频（RF）光谱边带、高脉冲能量和低脉冲间相干性。因此，它们被广泛用于超连续谱（SC）生成[14]、[15]、[16]、激光测距[17]、材料加工[18]和光学相干断层扫描[19]。

该锁模光纤激光器通过调整腔内参数（如光谱增益分布、净腔色散和可饱和吸收器的类型）来研究NLPs的脉冲动态[20]。所有这些腔内参数都显著影响输出特性，从而产生各种类型的NLPs状态，包括高斯NLPs[21]、Q开关类噪声脉冲[11]、矩形NLPs以及Q开关锁模控制的矩形类噪声孤子束[22]。2021年，陈等人将梯度折射率多模光纤引入非线性多模干涉结构中，配置为SMF-GIMF-SMF光纤装置，作为可饱和吸收器以实现NLPs的生成。随着泵浦功率的增加，基座脉冲持续时间从2.15纳秒增加到9.40纳秒，峰值持续时间从3.97皮秒减少到0.43皮秒[23]。在[24]中，基于非线性偏振演化（NPE）对被动锁模光纤激光器中的多种脉冲生成进行了实验研究。在[25]中，构建了一种基于锥形光纤Sb2Se3可饱和吸收器的光纤激光器，实现了单波长和双波长的可调谐性，可以在孤子脉冲和多频率类噪声方形脉冲之间切换。罗等人研究了基于非线性放大环镜的8字形光纤激光器中两个正交偏振分量的NLPs捕获动态[26]。然而，之前报道的光纤激光器振荡器直接输出的NLPs状态存在一些挑战，如输出功率低、难以调节光谱的中心波长以及相干脉冲的时间持续时间较长。

在这项工作中，我们通过将NPE效应纳入空间对齐结构（SAS）（之前在我们的工作中用作可饱和吸收器[27]）来实现NLPs的锁模，方法是插入一个偏振分束器（PBS）。在这种光纤激光器中，通过调整腔内增益剖面和非线性传输曲线，实现了波长可调的单波长NLPs，调节范围为56.6纳米。在中心波长1021.4纳米时，直接从PBS端口获得了561毫瓦的平均输出功率。此外，还实现了多峰NLPs状态，其中多峰结构源于非线性传输的光谱滤波效应。通过微调偏振控制器（PCs），观察到从多峰NLPs到宽带NLPs（B-NLPs）的光谱演变（这对应于从多峰结构到宽而平滑的光谱的演变）。所得到的B-NLPs具有数十飞秒持续时间的相干脉冲。在适当的腔内条件下，还实现了具有425纳米20分贝带宽的超宽带光谱。

实验装置

图1展示了在SAS中结合NPE效应的光纤激光器实验装置的示意图。使用最大泵浦功率为922毫瓦的976纳米激光器作为泵浦源，通过980/1030纳米波分复用器（WDM）连接到激光腔。采用25.8米长的单模光纤（1060XP）作为色散延迟光纤，以及28厘米长的掺镱（Yb 1200–4/125）光纤作为增益介质。还使用了一个偏振无关隔离器

结果与讨论

在这个光纤激光系统中，研究了多种类型的NLPs状态，这些将在以下三个部分中介绍和讨论：(i) 描述单峰、双峰和三峰NLPs操作的特性。(ii) 探索DS和NLPs的共存现象，通过轻微调整PCs展示向B-NLPs的演变过程。(iii) 系统地研究B-NLPs的输出特性。

结论

总结来说，我们将PBS纳入SAS中引入了NPE效应。实验中实现了波长可调范围为56.6纳米的单波长NLPs状态，发现减少光纤激光器中的腔内损耗会使增益剖面向较长波长移动，相应地PBS端口的输出功率降低，在1021.4纳米波长下输出功率为561毫瓦，相干脉冲持续时间为201.2飞秒。

作者贡献声明

李志强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证。张志豪：撰写 – 审稿与编辑。王嘉瑞：进行实验。段兴豪：撰写 – 审稿与编辑。张阳：进行实验。王俊丽：资源获取，资金申请，撰写 – 审稿与编辑。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（编号：62275209）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。