双向锁模光纤激光器中耗散孤子爆炸机制的非线性调控研究

本文通过构建双向锁模光纤激光器理论模型，首次数值揭示了耗散孤子（DS）在双向传播中的爆炸动力学。研究发现，通过调节腔内增益饱和能量（Es）可驱动稳定孤子向周期性爆炸态、连续爆炸态及混沌态转变，并观察到双向爆炸的同步/异步演化规律。该工作为双向激光器中非线性光调控提供了理论依据，对双梳光源应用具有指导意义。

　　

Highlight

模拟模型

图1所示的数值结构模拟了锁模光纤激光器中双向耗散孤子（DS）的生成，该模型集成泵浦源、波分复用器（WDM）、掺铒光纤（EDF）、单模光纤（SMF）、可饱和吸收体（SA）和输出耦合器（OC）六个核心组件。在相同模拟参数下，顺时针（CW）与逆时针（CCW）方向的脉冲沿两条独立路径传播。CW方向脉冲先经EDF放大，再被SA吸收，最终产生耗散孤子。

结果与讨论

实现光纤激光器锁模需精确平衡非线性效应与色散。模拟表明，当泵浦能量E_s=20 pJ时，可生成稳定的双向DS（图2）。图2(a)展示CW/CCW方向的平均光谱轮廓，图2(b)呈现双向脉冲的稳定时域形态。双向均观测到典型的锁模矩形光谱，且脉冲宽度相近（CW：2.14 ps，CCW：2.16 ps），证实双向DS在时域和频域的对称性。

将E_s提升至25 pJ后，稳定DS进入周期性爆炸状态：脉冲能量骤升伴随波形崩塌，随后自发恢复初始形态（图3）。值得注意的是，双向爆炸事件呈现高度同步性（图3(c)），表明双向非线性动力学存在强耦合。进一步增加E_s至30 pJ触发连续爆炸机制，脉冲失稳加剧并最终演化为混沌态（图4）。由于双向传播路径差异，此阶段CW/CCW孤子呈现异步演化特征，凸显非线性效应在爆炸动力学中的主导作用。

结论

本研究通过数值模拟揭示了双向锁模光纤激光器中耗散孤子爆炸与混沌动力学的演化规律。通过调控腔内脉冲能量，首次系统阐释了稳定DS向周期性爆炸、连续爆炸的转变路径，为理解双向非线性系统中光场调控机制提供了新视角。