《Chaos, Solitons & Fractals》：Evolution from dissipative soliton resonance to four-wave mixing-assisted supercontinuum in the spatiotemporal mode-locked fiber laser
编辑推荐：
在无隔离器环形腔STML Yb掺杂光纤激光器中，通过调节泵浦功率（236 mW至568 mW），系统依次经历自相位调制（SPM）主导的耗散孤子共振（DSR）、受激拉曼散射（SRS）触发的双波长模式锁定，以及四波混合（FWM）主导的超连续谱生成。实验表明，SPM、SRS和FWM在脉冲形成与光谱演化中起关键作用，揭示了多模式光纤激光器中非线性效应的逐级激活机制。
邱浩学|姚勇|郭 Linguang|李松婷|葛成达|张金伟|徐小川|田家军|段建安
中国深圳市西丽大学城哈尔滨工业大学（深圳）电子与信息工程学院可调谐激光技术国家重点实验室，518055
摘要
据我们所知，首次系统地研究了在不改变腔体结构的情况下，通过增加泵浦功率来改变无隔离器时空锁模（STML）掺镱光纤激光器的非线性演化特性，该激光器允许反向传播的光场。实验中发现了多个非线性效应的逐步激活。当泵浦功率从236毫瓦增加到568毫瓦时，自相位调制（SPM）、受激拉曼散射（SRS）和四波混频（FWM）依次被触发，形成了耗散孤子共振（DSR）的锁模特性、SRS诱导的双波长效应以及FWM辅助的超连续谱。在低泵浦功率236毫瓦时，DSR表现为三角光谱、矩形纳秒脉冲，并且在SPM的非线性作用下具有很强的稳定性。当泵浦功率超过拉曼阈值时，在1070纳米附近出现明显的拉曼峰，形成了双波长STML。主脉冲和拉曼脉冲表现出同步振荡和稳定的STML特性，表明SRS在能量重新分配和模式稳定中起着关键作用。在更高的泵浦功率568毫瓦下，增强的非线性相互作用产生了带宽超过50纳米的超连续谱，这归因于FWM效应的增强。在整个演化过程中，脉冲序列保持稳定，重复率为4.48兆赫。这些结果为多模STML光纤激光器的非线性演化提供了全面的理解，并突出了SPM、SRS和FWM在超快多模光纤激光器动力学中的重要作用。
引言
随着多模光纤激光技术的快速发展，STML通过耦合激光腔内的不同高阶横向模式，产生了具有丰富内部结构的多维孤子、多模耗散结构和自组织光场。这为构建具有复杂时空结构的高维度、宽带和高能量超快脉冲光源开辟了新的可能性[1]、[2]、[3]、[4]。例如，Wright等人在2017年首次展示了基于多模光纤的STML机制[5]。与传统单模锁模光纤激光器[6]相比，STML系统表现出更强的时空耦合和更复杂的非线性演化，以及更多的非线性相互作用，包括SPM、交叉相位调制（XPM）、模间色散、空间自聚焦、SRS和FWM[7]、[8]、[9]、[10]。
非线性效应在STML光纤激光器的特性中起着关键作用[11]。在正常色散光纤激光器中，增益、损耗、色散和非线性之间的平衡是形成锁模现象的关键。当腔体参数满足相位移动和腔体光谱过滤之间的共振条件时，SPM将系统驱动进入DSR状态，产生具有特征性三角光谱的平顶脉冲[12]、[13]、[14]。2023年，Wang等人通过数值模拟展示了多模光纤激光器中的时空DSR[15]。
当泵浦功率进一步增加并超过拉曼阈值时，光纤激光器中的SRS被充分触发。SRS是一种由光与介质分子振动相互作用引起的非弹性散射过程，可以显著地将能量从主波长转移到斯托克斯波长，从而产生次级光谱峰[16]、[17]。这些现象在掺镱光纤激光器（YDFL）中尤为明显。由于Yb3+的增益带宽较窄，SRS提供了额外的增益通道，可以突破增益光谱的限制。Zhao等人在2018年报告了单模YDFL中的拉曼辅助锁模现象，并证明光谱展宽超过50纳米是由SRS引起的[18]。研究还发现，在强非线性条件下，SRS可以进一步放大高阶模式的能量，并促进多模光纤中的多波长协调振荡，从而将光谱宽度从10纳米扩展到数百纳米[19]、[20]、[21]。除了基本的SRS效应外，模式依赖的拉曼增益、模间能量转移和模式选择性放大也可能在STML系统中发生。当系统接近模式竞争的极限时，SRS可以在高阶模式之间重新分配脉冲能量，并为某些模式提供额外的拉曼增益，从而进一步增强能量耦合和光谱展宽[22]、[23]、[24]。因此，通过将掺镱光纤与多模光纤结合构建的光纤激光器可以在不引入额外拉曼增益介质的情况下实现SRS诱导的宽带或多波长STML光纤激光器。
当泵浦功率足够大时，光纤激光器会产生更强的非线性效应，其中FWM起着重要作用。FWM通过泵浦模式、斯托克斯模式和高阶模式之间的相互作用产生新的频率成分，有助于在腔体内形成超连续谱[25]、[26]、[28]。在多模光纤中，FWM由于模间相位匹配而得到显著增强，多个横向模式的存在提供了满足能量守恒的额外自由度[29]、[30]。尽管多模光纤中SRS和FWM的动力学已经得到了很好的研究，但在全光纤STML系统中的研究仍然不足。同时，不同STML光纤激光器中SRS诱导的双波长效应和FWM辅助的超连续谱尚未在实验中分别进行探索。因此，随着泵浦功率的增加，对同一STML全光纤激光器中非线性效应（SPM、SRS和FWM）对脉冲特性（DSR、双波长和超连续谱）影响的系统研究变得更加罕见。
在本文中，我们研究了在不改变腔体结构的情况下，通过增加泵浦功率，无隔离器环形腔STML光纤激光器的非线性演化特性经历了清晰有序的转变：从单波长DSR状态到由SRS诱导的双波长状态，最终到由FWM主导的超连续谱状态。在低泵浦功率236毫瓦时，光纤激光器在稳定的单波长DSR状态下运行，其特征是三角光谱、矩形纳秒脉冲和强的射频（RF）稳定性。随着泵浦功率的增加，当泵浦功率超过拉曼阈值时，在1070纳米附近出现明显的斯托克斯波长，形成SRS诱导的双波长光谱。在更高的泵浦功率568毫瓦下，增强的模间非线性相互作用引发了显著的光谱扩展，产生了带宽超过50纳米的超连续谱。宽带光谱的产生归因于多模光纤中的强FWM效应。这一转变过程突显了STML光纤激光系统中多模非线性的丰富相互作用。
实验装置
实验装置
图1(a)展示了一个对称环形腔STML掺镱光纤激光器的示意图，该激光器没有隔离器，允许反向传播的光场。掺镱光纤（YDF）通过两个980纳米激光二极管（LD）通过980/1030纳米波分复用器（WDM1和WDM2）进行双向泵浦，从而实现高效的能量注入和均匀的增益分布。使用两个
实验结果
图2展示了在不同泵浦功率下掺镱STML光纤激光器的光谱演变及其对应的近场光束轮廓。随着泵浦功率从236毫瓦增加到568毫瓦，光谱从单波长转变为多波长，然后转变为超连续谱，表明腔内存在多个非线性效应。在低泵浦功率236毫瓦时，系统处于稳定的单波长锁模状态，表现出
结论
在允许反向传播光场的无隔离器环形腔STML掺镱光纤激光器中，展示了由泵浦功率驱动的非线性演化，这突出了SPM、SRS和FWM在锁模形成中的不同作用。在低泵浦功率236毫瓦时，在SPM的影响下，可以产生具有三角光谱和矩形脉冲的稳定DSR。随着泵浦功率的增加，单波长DSR转变为双波长操作
CRediT作者贡献声明
邱浩学：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，正式分析，数据管理。姚勇：方法学，资金获取。郭 Linguang：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。李松婷：研究。葛成达：撰写 – 审稿与编辑。张金伟：撰写 – 审稿与编辑。徐小川：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。田家军：方法学。段建安：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。
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报告的工作。
致谢
本工作得到了黑龙江省优秀青年教师基础研究支持计划（YQJH2023313）、国家自然科学基金（NSFC）（U22A2093）、深圳市科技创新委员会（JCYJ20210324131614040、GXWD20231130113557001）、深圳市科技创新计划（KJZD20240903101100002）的支持。
