《Optical Fiber Technology》：GHz harmonic mode-locked dual-pumped laser based on nonlinear multimode interference
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本文提出一种基于非线性多模干涉（NL-MMI）的吉赫兹谐波锁模双泵光纤激光器，通过增强非线性并补偿损耗，使用混合NL-MMI饱和吸收体（SA）实现了1.36 GHz重复频率、0.66 ps脉宽的66次谐波锁模激光，显著降低锁模阈值。
傅子怡|肖琪|王瑞琪|黄天烨|郑洪波|范明琦|潘建星|卓成|张静|吴志超|李翔|平淑梅
中国地质大学（武汉）机械工程与电子信息学院，武汉430074，中国
摘要
超快激光器可以通过多种锁模机制产生高重复率的超短脉冲。然而，基于非线性多模干涉产生高重复率脉冲的研究仍然相对有限。在本文中，我们提出并展示了一种基于非线性多模干涉（NL-MMI）的千兆赫（GHz）谐波锁模双泵浦激光器，通过增强非线性并补偿损耗来实现这一目标，具体方法是泵浦混合NL-MMI可饱和吸收器（SA）。实验获得了稳定的锁模效果，脉冲宽度为0.66皮秒，重复频率高达1.36 GHz，相当于基频的66次谐波。此外，通过泵浦混合NL-MMI SA，有效降低了锁模阈值。本研究为低阈值和高重复频率激光器的设计提供了一种新的概念和方法。
引言
超快激光器已成为各个领域的强大工具[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，其中高重复频率光纤激光器在光频梳、光通信、生物医学成像、精密光谱学和激光加工等领域发挥着关键作用[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。随着相关技术的快速发展，研究人员致力于提高光纤激光器的重复频率并优化其性能。在实现高重复频率的技术中，谐波锁模（HML）受到了广泛关注。通过利用谐波阶数与泵浦功率之间的直接相关性，可以在泵浦功率达到几瓦的情况下在光纤激光器中产生高阶脉冲[13]、[14]。然而，高泵浦功率会导致光纤激光器出现热不稳定现象。通过将光纤布拉格光栅（FBG）或法布里-珀罗滤波器引入激光腔，可以实现GHz级别的重复频率[15]、[16]、[17]、[18]。但是，滤波器的带宽和插入损耗可能会限制输出脉冲的质量。通过设计具有短腔长的激光谐振器，并调整腔内的纵模间隔，可以实现高重复率的锁模[19]、[20]、[21]。然而，这种谐振器的设计和制造具有挑战性。使用特殊光纤（如光子晶体光纤（PCF）或微纳光纤（MNF）来增强光-声相互作用可以产生极强的非线性效应，从而实现超高重复率的锁模[22]、[23]、[24]、[25]，但重复频率必须与声场相匹配，从而限制了调谐灵活性。
最近，基于非线性多模干涉（NL-MMI）的锁模技术成为了一种有前景的解决方案[26]、[27]。该技术利用渐变折射率多模光纤（GIMF）的自成像效应来实现非线性SA特性[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。例如，采用GIMF-SIMF-GIMF对称可饱和吸收器结构的激光器可以实现最大重复频率为763.36 MHz的谐波锁模[37]。将SMF-GIMF-SMF结构绕在偏振控制器（PC）上，可以实现最大重复频率为1.127 GHz的谐波锁模[38]。将锥形渐变折射率多模光纤（TA-GIMF）与Bi2Te3作为可饱和吸收器结合使用，可以使激光器的重复频率达到2.11 GHz[39]。我们的研究小组也在这方面进行了一些研究，使用GIMF-SMF-GIMF结构实现了最大重复频率为597.33 MHz的光纤激光器[40]。
在本文中，我们提出了一种基于NL-MMI的GHz谐波锁模双泵浦全光纤激光器。通过将一段EDF集成到GIMF中并采用双泵浦结构，增加了激光腔内的非线性相位移动，同时补偿了SA的损耗。实验验证表明，通过泵浦混合NL-MMI SA，有效降低了锁模阈值。实验结果表明，该激光器可以实现稳定的锁模效果，脉冲宽度为0.66皮秒，重复频率高达1.36 GHz，相当于基频的66次谐波。
实验装置
实验装置
所提出的光纤激光器腔体的实验装置如图1所示。腔体通过非线性多模干涉（NL-MMI）实现锁模。在腔体2中，使用了一种混合GIMF-EDF-GIMF（MEM；GIMF，50/125 μm；EDF，NuFern，SM-ESF-7/125）作为SA。两个976 nm的激光二极管（LD）作为泵浦源。使用了两段EDF作为增益介质。泵浦功率通过波分复用器（WDM）耦合到激光腔中。两个偏振控制器
基本锁模
当泵浦功率分别为85 mW和55 mW时，在腔体1和腔体2中产生了基态孤子脉冲。从图1(a)和图1(b)可以看出，锁模操作的中心波长为1557.17 nm，3 dB带宽为3.85 nm，基频重复频率为18.67 MHz，对应的脉冲间隔为53.57 ns。在腔体2中，中心波长为1568.98 nm，3 dB带宽为5.57 nm
结论
总之，我们展示了一种基于NL-MMI的GHz谐波锁模双泵浦全光纤激光器。实验结果表明，MEM结构结合双泵浦可以有效降低锁模阈值并提高谐波阶数。实验中，激光器在1567.78 nm的波长下实现了1.36 GHz的高重复频率，对应的谐波阶数为66次，脉冲宽度为0.66 ps。这种创新设计为
作者贡献声明
傅子怡：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，调查，形式分析，数据管理。肖琪：验证，调查。王瑞琪：验证，调查。黄天烨：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，方法论，资金获取，形式分析，概念化。郑洪波：调查，形式分析。范明琦：调查，形式分析。潘建星：调查，形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（42327803, 62275097, 62205313）、国家光子学与通信实验室开放基金（2025QZKF）、武汉国家光电实验室开放项目计划（2023WNLOKF007）、武汉东湖高新技术开发区项目（2024KJB307）以及关于海洋条件下喷射型冷凝器内部空气/蒸汽-水膜界面传热和传质机制的研究的支持
