单壁碳纳米管腔内饱和动力学调控超短脉冲掺铒光纤激光器工作模式选择机制研究

研究人员针对超短脉冲光纤激光器中单壁碳纳米管( SWCNT )可饱和吸收体( SA )的腔内动力学特性与工作模式关联机制不明的问题，通过实验揭示了纯SWCNT与掺硼氮SWCNT( BN:SWCNT ) SA的饱和行为差异，实现了保守孤子、谐波锁模孤子、孤子分子( 3/4/5脉冲 )及耗散孤子等多种超短脉冲( USP )模式的可控生成，为光通信和量子计算应用提供了稳定光源。

　　

在追求更高性能超短脉冲激光器的科学竞赛中，单壁碳纳米管( SWCNT )可饱和吸收体( SA )因其独特的非线性光学特性成为研究热点。然而，SWCNT-SA在激光腔内的动态饱和行为如何影响脉冲生成模式，始终是未解的谜题。俄罗斯科学院普通物理研究所( GPI RAS )的Almikdad Ismaeel团队在《Optics》发表的研究，通过精妙实验揭开了这一黑箱。

研究团队采用两种自制SA——纯SWCNT和掺硼氮SWCNT( BN:SWCNT )薄膜，构建了全光纤环形激光器。通过泵浦功率精确调控和腔内透射率实时监测，首次捕捉到SA饱和动力学与脉冲模式的关联规律。关键技术包括：1) 基于976 nm激光泵浦的掺铒光纤( EDF )环形腔设计；2) 自相关仪与光谱仪联用的脉冲特性分析；3) 通过非线性偏振演化( NPE )和群速度色散( GVD )调控实现色散管理。

【材料与方法】
研究采用电弧法制备的SWCNT，通过CMC聚合物成膜技术构建SA。纯SWCNT-SA展现更优薄膜质量，而BN:SWCNT-SA因掺杂获得更高调制深度( 6.8% vs 4.3% )和更短恢复时间( 400 fs vs 1.2 ps )。

【实验结果】
在反常色散区，纯SWCNT-SA促成孤子分子( SM )稳定生成，脉冲数可通过泵浦功率调节( 2-5个脉冲)。BN:SWCNT-SA则因高非饱和损耗促进耗散孤子( DS )和谐波锁模( HML )产生。光学频谱中Kelly边带的出现证实了孤子与色散波的相干作用。

【讨论与结论】
该研究首次阐明SWCNT-SA的恢复时间和调制深度是决定脉冲模式的关键：短恢复时间( BN:SWCNT-SA )利于短脉冲和谐波锁模，而低非饱和损耗( 纯SWCNT-SA )支持高能量孤子分子。这一发现为定制化SA设计提供了理论依据，推动超短脉冲激光器在光通信WDM系统和医疗激光等领域的应用突破。