无色散损耗的耗散孤子光纤激光器

《Laser & Photonics Reviews》：Dispersion-Less Dissipative Soliton Fiber Laser

本文提出了一种无色散耗散孤子光纤激光器架构，通过光谱滤波和能量管理实现高能脉冲生成。实验使用标准电信光纤，在1.9 MHz重复频率下获得88 ps脉宽、0.34 μJ脉冲能量，并利用多模光纤扩展能量至0.54 μJ，同时保持低光谱畸变。

　　本文探讨了一种新型的光纤激光器设计，通过非色散的模式锁定机制，实现了高能、低畸变的皮秒脉冲生成。这种设计突破了传统模式锁定光纤激光器在脉冲能量和持续时间方面的限制，同时保持了稳定的输出特性。文章首先回顾了光纤激光器在超快应用中的重要性，包括材料加工、医学和光学测量等领域。然而，传统方法在生成高能超短脉冲时面临色散和非线性效应带来的波形失真和脉冲断裂问题。为了解决这些问题，研究者提出了一种基于耗散孤子的激光器架构，使得在几乎没有色散影响的情况下也能生成高能脉冲。

### 1. 背景与意义

传统的光纤激光器通常使用长距离的光纤，导致脉冲在腔内积累色散和非线性效应，进而造成波形的严重失真。尤其是在异常色散（anomalous dispersion）模式下，脉冲能量受限于色散与克尔非线性之间的平衡。这使得常规的孤子脉冲能量通常在纳焦尔（nJ）量级，对应于10至100皮秒（ps）的脉冲宽度。为了提升脉冲能量，研究者引入了大模场面积（LMA）光纤，可以将脉冲能量提升两个数量级，但这种技术往往成本高昂且结构脆弱。

相比之下，基于耗散孤子的模式锁定方法提供了一种新的解决方案。通过在光纤腔内引入可控的非线性增益和损耗，以及精确的光谱滤波，可以在没有显著色散影响的条件下，实现稳定的高能脉冲生成。这种方法不仅避免了外部压缩所需的复杂步骤，还能产生光滑的钟形脉冲波形，这对许多应用来说具有重要意义。例如，材料加工需要高能量、短脉冲，而激光测距和波长转换则依赖于脉冲的稳定性和低畸变特性。

### 2. 数值模拟与理论分析

研究者通过数值模拟分析了激光器在不同参数下的脉冲动力学行为。模拟结果表明，在色散可以忽略的条件下，脉冲的能量和持续时间可以通过调节光谱滤波带宽（Δλ_SF）和饱和能量（E_sat）来灵活控制。在Δλ_SF较大的情况下，脉冲能量较低，但持续时间较短；而随着Δλ_SF的减小，脉冲能量逐渐增加，持续时间也随之延长。这种特性使得研究者能够通过调整参数，在脉冲能量和持续时间之间找到最佳平衡点。

此外，研究者还验证了脉冲在腔内传播的非色散特性。通过设定零色散条件，他们发现脉冲在腔内传播时没有明显的波形变化，且能量保持稳定。这表明，色散对脉冲动力学的影响可以忽略不计，而非线性效应和耗散机制在脉冲的形成和稳定中起到了主导作用。同时，研究者指出，非色散条件下的脉冲能量与持续时间之间存在正比关系，而传统的孤子脉冲则遵循能量与持续时间的反比规律。

### 3. 实验验证与脉冲特性

在实验部分，研究者构建了一个基于能量管理的模式锁定光纤激光器。他们使用标准的电信波段（1.5 μm）光纤，并通过光谱滤波技术优化脉冲的形状和能量。实验结果表明，该激光器可以在1.9 MHz的重复频率下生成高达0.34 μJ的脉冲能量，且脉冲持续时间为88 ps，呈现出光滑的钟形波形。

研究者还介绍了“脉冲修复”（pulse healing）过程，通过调节光谱滤波带宽和泵浦功率，可以在不破坏单脉冲模式锁定的前提下，提升脉冲能量并恢复其波形的稳定性。实验结果显示，当光谱滤波带宽从600 pm逐步减小至32 pm时，脉冲能量从16 nJ增加至0.54 μJ，同时脉冲持续时间从11.5 ps扩展至148 ps。这种灵活性使得该激光器能够适应多种应用场景，包括高能脉冲的生成和低畸变脉冲的输出。

### 4. 实验结果与优化策略

为了进一步提升脉冲能量，研究者引入了多模增益光纤（few-mode gain fiber）。这种光纤具有较大的模场面积，能够显著降低非线性效应的影响，同时保持高能脉冲的稳定性。实验结果显示，使用多模增益光纤后，脉冲能量可以达到0.54 μJ，对应的峰值功率为3.6 kW。同时，脉冲的光谱宽度也得到了有效控制，确保了输出脉冲的高纯度。

此外，研究者还分析了脉冲在不同光纤段中的传播特性。在低能量段，脉冲的持续时间较长，但能量较低；而在高能量段，脉冲的持续时间较短，但能量较高。通过调节光谱滤波带宽和泵浦功率，可以在脉冲能量和持续时间之间找到最优的平衡点。例如，在32 pm的滤波带宽下，脉冲能量达到0.54 μJ，持续时间为148 ps，且脉冲的光谱宽度仅为35 pm，远低于传统方法的水平。

### 5. 与传统技术的对比

本文还对比了当前设计与传统模式锁定和Q开关激光器的差异。传统模式锁定激光器通常需要外部压缩，而本文提出的非色散模式锁定方法则能够在腔内直接生成高能脉冲。此外，Q开关激光器虽然能够生成高能脉冲，但其脉冲特性不稳定，且容易受到光学损伤的影响。相比之下，本文提出的激光器具有更高的稳定性和光学相干性，适用于需要高精度和稳定性的应用场景。

研究者还讨论了该激光器在避免非线性效应（如受激拉曼散射和受激布里渊散射）方面的优势。通过引入强光谱滤波，激光器有效抑制了这些效应，确保了脉冲在高能量下的稳定性。同时，脉冲的持续时间较长，使得受激拉曼散射的效率降低，进一步提高了系统的可靠性。

### 6. 应用前景与未来展望

该激光器的灵活性和高能特性使其在多个领域具有广阔的应用前景。例如，在材料加工中，高能脉冲可以提高加工效率；在激光测距（LIDAR）中，稳定的脉冲输出有助于提高测量精度；在波长转换中，低畸变脉冲能够更好地保持光谱特性。此外，该激光器还适用于对非线性波导和集成光学器件进行高精度测试，其稳定性和可调性为相关研究提供了新的工具。

未来的研究方向包括进一步优化光谱滤波和增益机制，以实现更高能量和更长脉冲的生成。同时，研究者建议将该激光器与先进的大模场面积（LMA）技术结合，以提升其在实际应用中的性能。此外，探索该激光器在不同波段和不同光纤材料中的适用性，也是未来研究的重要课题。

综上所述，本文提出了一种基于非色散模式锁定的高能皮秒脉冲光纤激光器设计，通过能量管理机制实现了脉冲能量和持续时间的灵活控制。实验验证了该设计的可行性，并展示了其在多个应用中的潜力。该研究为超快激光技术的发展提供了新的思路，同时也为未来的研究和应用奠定了坚实的基础。