通过混合饱和吸收器实现时域模式锁定的光纤激光器中脉冲模式的偏振控制切换

《Chaos, Solitons & Fractals》：Polarization-controlled switching of pulse regimes in spatiotemporal mode-locked fiber laser via a hybrid saturable absorber

可操作多模式光纤激光器通过混合饱和吸收器实现极化控制下的工作模式灵活切换，包含多模Q开关、Q开关锁模和空时-模式锁三种模式，数值模拟验证了其有效性。

　　

文红林|高波|周柳瑶|李琦|李颖颖|乔飞鸿|曲博林|吴格|刘丽

吉林大学通信工程学院，长春，130012，中国

摘要

我们提出了一种采用混合饱和吸收体的可切换操作模式的时空锁模光纤激光器。该激光器腔体结合了单模光纤-渐变折射率多模光纤-单模光纤结构，作为人工饱和吸收体，并与非线性偏振旋转机制相结合。所提出的混合饱和吸收体仅通过调节偏振控制器，在固定泵浦功率下，即可实现多模Q开关、Q开关锁模和时空锁模之间的切换。我们证明，在800 mW的泵浦功率下，激光器通过偏振调谐从48.24 kHz的Q开关状态演变为具有18.72 MHz锁模脉冲的Q开关锁模状态，这些脉冲嵌套在46.88 kHz的Q开关包络内，最终实现稳定的18.72 MHz时空锁模。这种操作灵活性归因于混合饱和吸收体机制引起的可调腔内损耗调制。此外，对腔内脉冲演化的数值模拟进一步证实了混合饱和吸收体的关键作用。据我们所知，本研究首次仅通过偏振控制，在恒定泵浦功率下实现了多种操作模式，从而为多种脉冲输出提供了一个独特的灵活平台。

引言

超快光纤激光器在精密加工、生物医学成像和光通信等领域具有重要的应用价值，这得益于它们的高光束质量、高效性、紧凑性和鲁棒性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这些激光器通常在三种基本模式下工作：Q开关（QS）[6]、[7]、Q开关锁模（QML）[8]和连续波锁模（CML）[9]、[10]。每种脉冲模式的不同优势激发了人们对在这些操作状态之间切换机制的广泛研究。因此，人们投入了大量努力来开发高效的饱和吸收体（SA），包括非线性偏振旋转（NPR）、石墨烯和半导体饱和吸收体镜，旨在高性能激光器中实现QS、QML和CML之间的切换[11]、[12]。然而，所有这些研究都局限于单模光纤（SMF）平台，其中脉冲能量和功率的扩展受到小芯径的限制[13]、[14]。

为了解决单模光纤的局限性，多模光纤（MMF）作为一种高能量脉冲生成的有希望的平台应运而生[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。它们较大的芯径和模式场面积使它们能够承受更高的非线性，从而实现更大的功率和能量扩展。最近，在MMF激光器中成功实现了时空锁模（STML），开启了锁模和高维非线性动力学的新领域。随后报道了使用不同SA在各种操作模式之间的转换，包括多模QS和STML之间的转换[23]、[24]、[25]、[26]，QS和QML之间的转换[27]，以及QML和STML之间的转换[28]。然而，这些研究仅限于部分状态转换，并且需要同时调节泵浦功率和偏振状态。此外，尽管在基于碳纳米管的渐变折射率多模光纤（GIMF）激光器中实现了QS、QML和STML之间的完全转换，但这种转换同样依赖于泵浦功率和偏振状态的同时调节[29]。这种依赖性意味着激光器的操作状态与增益水平相关联，通常将稳定的脉冲模式限制在一个狭窄的泵浦功率范围内。因此，需要进一步探索实现MMF激光器操作状态灵活控制的方法。

在这里，我们提出了一种利用混合SA的可切换操作全光纤多模激光器，该激光器结合了SMF-GIMF-SMF结构和NPR。与之前依赖于泵浦调谐或仅实现部分状态转换的方法不同，我们的设计仅通过调节偏振控制器（PCs）就能在保持恒定泵浦功率的情况下实现多模QS、QML和STML之间的完全转换。这种操作灵活性归因于混合SA提供的可调腔内损耗调制。此外，还对腔内脉冲演化进行了数值模拟，进一步证明了混合SA的不可或缺的贡献。这项工作不仅为多功能脉冲生成提供了一种新的设计方法，还为MMF激光器中的复杂时空非线性动力学提供了新的见解。

实验装置

基于混合SA的全光纤多模激光器的实验装置如图1所示。一个单模980 nm泵浦源通过波分复用器（WDM）耦合到环形腔体中，两者之间使用模式场适配器（MFA）来匹配单模和多模场。腔体内的WDM尾纤均为0.45 m的大模场阶跃折射率光纤（Nufern，LMA–GDF-20/130 M，NA = 0.08），在1550 nm处支持约3种模式，可以视为少模光纤

从QS到QML的偏振控制转换

最初，激光器处于连续波（CW）模式。当泵浦功率增加到165 mW时，它转变为稳定的QS状态，并在最大可用泵浦功率850 mW下保持该状态。图2显示了泵浦功率为800 mW时的多模QS脉冲特性。图2(a)展示了中心波长为1561.48 nm和1562.15 nm的双波长QS脉冲光谱。约0.67 nm的波长间隔对应于SMF-GIMF-SMF的光谱过滤周期

仿真与讨论

为了证明所提出激光器的独特操作机制，有必要将混合SA与传统SA进行比较。虽然基于材料的SA被广泛使用[35]、[36]、[37]、[38]、[39]，但它们的调制参数通常在制造后是固定的，这通常需要通过调节泵浦功率来切换模式。纯NPR机制提供了可调性，但往往具有较高的自启动阈值和对环境扰动的敏感性。

结论

总结来说，我们构建了一种利用混合SA的可切换操作时空光纤激光器，该SA结合了SMF-GIMF-SMF结构和NPR。据我们所知，这是首次在1.5 μm MMF激光器中实现仅通过偏振调谐就能在时空QS、QML和稳定STML之间进行转换的演示，同时泵浦功率保持不变。我们将这种灵活的切换归因于混合机制提供的可调腔内损耗调制

作者贡献声明

文红林：撰写——原始草稿。高波：撰写——审阅与编辑。周柳瑶：方法论。李琦：方法论。李颖颖：研究。乔飞鸿：方法论。曲博林：方法论。吴格：撰写——审阅与编辑。刘丽：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了吉林省科学技术发展计划项目（编号：20240302021GX）和长春市科学技术研究项目（编号：24JB07）的支持。