直接从一台346兆赫的光纤锁模激光器生成涡旋脉冲

《Optics and Lasers in Engineering》：Direct generation of vortex pulses from a 346-MHz fiber mode-locked laser

本研究设计了一种基于非循环固态光纤激光器架构的紧凑涡旋光纤激光器，通过集成腔内涡旋生成与高重复率锁模技术，实现了346.25 MHz的重复率、1.58 ps脉宽和21.1 nm带宽。系统可灵活切换±1拓扑电荷涡旋输出，是目前最高重复率宽带涡旋光纤激光器，为高速光谱学与精密计量提供新范式。

　　

吴光义|杨康文|尹东云|阿卜杜勒·凯尤姆·汗|穆罕默德·沙希德·拉菲克|邹启轩|陈俊宇|顾晓天|马志远|袁帅

上海科技大学现代光学系统重点实验室，中国上海200093

摘要

具有高基频重复率的超快涡旋激光器在高速光谱学和精密计量学领域具有巨大的潜力。然而，实现高重复率锁模的同时保持宽光谱带宽的挑战在于：高重复率要求腔体长度较短，而较宽的光谱范围则需要更多的非线性积累，这形成了一个根本性的权衡。在这里，我们提出了一种紧凑型涡旋光纤激光器，通过将腔内涡旋生成与高重复率锁模结构相结合来解决这一难题。利用非互易固态光纤激光器配置以及双WDM准直器，该激光器能够产生重复率为346.25 MHz的脉冲，脉冲持续时间约为1.58 ps，光谱带宽为21.1 nm。此外，还展示了在±1拓扑电荷之间按需切换的能力。据我们所知，这种涡旋光纤激光器展示了迄今为止报道的最高基频重复率。这项工作为超快涡旋光源树立了一个范例，直接满足了光谱学和计量学中对高速、宽带结构光日益增长的需求。

引言

涡旋光，通常被称为光学轨道角动量（OAM）光束，是一类具有螺旋相位波前的结构化光束，其表达式为，其中$l$表示拓扑电荷[1,2]。由于本征态的维度是无限的[3]，并且与粒子的相互作用独特[4]，涡旋光不仅在光学通信[5]、光学捕获[6]和高精度计量[7]中具有多种应用，而且作为光谱光源也显示出巨大潜力，应用于旋转多普勒测速[8]和非线性螺旋二向色性[9]。

已经设计了多种方法来产生OAM光束。一般来说，这些方法可以分为腔内和腔外OAM模式生成技术。通常使用涡旋光片[10]、螺旋相位片[11]和空间光调制器[12]来实现不同涡旋模式[13]或定制的庞加莱球面状态[14]之间的实时切换。与在激光腔外生成OAM光束相比，激光振荡器内部的腔内OAM模式生成可以提供更紧凑的腔体配置，减少插入损耗，并通过抑制高阶径向模式来提高模式纯度[15]。另一方面，基于光纤的技术和设备，如模式耦合[16]和长周期光纤光栅[17]，也被提出用于生成腔内OAM模式[18]。虽然这些方法在减少插入损耗和增强系统集成方面具有优势，但由于与腔内生成机制的不兼容性，它们不可避免地会导致重复率降低。

当前光谱学技术对同时具有宽光谱带宽和高重复率的光源有明显的偏好[19,20]。特别是，数百兆赫兹的重复率对于在实时光谱采样中兼顾分辨率和扫描速度至关重要[21]。因此，能够生成GHz重复频率脉冲且稳定性高的锁模光纤激光器，由于它们能够通过腔内偏振调制产生高重复率涡旋光脉冲[22,23]，成为高性能光源的有希望的选择。然而，迄今为止，很少有报告指出重复率超过100 MHz的光纤激光器能够直接输出涡旋模式，如表1所示。因此，在高重复率锁模光纤激光器内部通过模式调制生成涡旋光束是一个非常有趣的研究方向。

在这项研究中，我们展示了一种基于非互易固态结构的锁模Yb掺杂光纤激光器，它能够按需生成和灵活切换拓扑电荷为$l=1$的涡旋模式。模式操控是通过操控非互易腔内偏振来实现的，而锁模状态则在腔内保持。为了在提高激光重复率的同时实现锁模，采用了定制的波长分复用器（WDM）准直器来增强腔体的紧凑性。最终，该激光器输出的脉冲中心波长为1037 nm，重复率为346.25 MHz，光谱带宽为21.1 nm。据我们所知，这是迄今为止报道的具有最高重复率的超快光纤激光器。

实验装置和原理

激光器的结构如图1所示，包括一根12.5厘米长的Yb掺杂光纤（Coractive-Yb-550）和一个68.4厘米长的自由空间结构。Yb掺杂光纤在974 nm处的吸收率为2000 dB/m，这支持在有限长度内注入高达2 W的泵浦光。976 nm的泵浦光通过两个自制的WDM准直器双向耦合到激光腔中，耦合损耗约为1 dB。增益光纤直接集成在WDM准直器中，确保了

结果与讨论

在我们的实验中，通过旋转波片（包括QWP1、QWP2、HWP1和HWP2），在泵浦功率超过1 W的情况下实现了稳定的锁模。锁模开始时，从高斯光束到涡旋光束出现了显著的功率转移，这一现象也在类似的研究中观察到[29]。这是由于脉冲能量的集中，减少了等效饱和吸收体的脉冲分裂。激光器产生的功率分别达到了203.8 mW和3.89 mW

结论

总之，我们展示了一种基于NPR锁模技术的涡旋光纤激光器。该系统能够灵活地按需切换不同拓扑电荷的涡旋输出。谐振器稳定地产生中心波长为1037 nm的涡旋光束，光谱带宽为21.1 nm，重复率为346.25 MHz。据我们所知，这是迄今为止报道的宽带Yb掺杂光纤激光器的最高重复率。涡旋能量还可以进一步

资助

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFB3613504）、国家自然科学基金（12474345）、国家科技创新2030项目（SQ2023AAA040457）以及上海市科学技术委员会研究项目（22560730400）的支持。

CRediT作者贡献声明

吴光义：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，形式分析。杨康文：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。尹东云：撰写 – 审稿与编辑，验证。阿卜杜勒·凯尤姆·汗：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。穆罕默德·沙希德·拉菲克：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。邹启轩：方法论，研究，形式分析。陈俊宇：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论，数据管理。顾晓天：可视化

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。