时空锁模光纤激光器中孤子动力学的可控切换新策略

《Optics & Laser Technology》：Controllable switching of soliton dynamics in spatiotemporal mode-locked fiber laser

本文创新性地在时空锁模（STML）光纤激光器中引入可旋转石英窗（RSW），通过调控空间自由度实现了多类孤子动态（如孤子分子SM、噪声脉冲NLP、光学怪波等）的可控切换。该研究不仅深化了对高维非线性互作机制的理解，更为STML激光器的工业化应用提供了重要技术路径。

　　

Highlight

本研究通过在STML光纤激光器中插入可旋转石英窗（RSW），实现了对多种孤子动态操作状态的可控切换。在6.4 W泵浦功率下，仅通过5°15′的RSW旋转即可实现多孤子分子（SM）不同振荡相位、单孤子（SS）、多孤子（MS）及噪声脉冲（NLP）状态间的切换。在7 W泵浦功率下，2°的旋转范围内可触发脉动孤子（PS）不同振荡模式、SS、光学怪波、调Q（QS）/NLP共存及QS/SM共存态的转换。这种基于空间模式重构的控制策略，为理解时空非线性互作机制和推动STML激光器的产业化提供了新视角。

Section snippets

Experiment setup

STML光纤激光器实验装置如图1所示。采用多模976 nm激光泵浦，最大输出功率为15 W。使用一段0.8 m的掺镱增益光纤（YDF，LMA-20/125–9 M，NA: 0.8，Nufern），通过（2+1）*1泵浦信号合束器（PSC）与泵浦源连接。YDF后熔接4 m的梯度折射率多模光纤（GRIN MMF，FG105LCA，Thorlabs），构成非线性放大环形镜（NALM）结构。腔内插入一对波片（QWP和HWP）和偏振相关隔离器（PD-ISO）用于调节偏振和保证单向运转。RSW被置于MMF段后方，通过精密旋转架控制其倾角。输出端使用10:90光纤耦合器提取信号，并通过多模光纤（MMF，GIF625，Thorlabs）传输至检测设备。

Analysis of spatiotemporal mode locking establishment process

在6.4 W泵浦功率和优化波片角度下，激光器实现稳定锁模，腔外输出功率为370 mW（图2a）。将泵浦功率提升至8 W，输出功率超过500 mW且锁模状态保持稳定。重启泵浦时可观察到自启动锁模动态过程，其光谱和模场演变如图2b所示。随着泵浦功率增加，激光经历从连续光到调Q脉冲，再到调Q锁模（QML），最终进入稳定STML状态的转变过程。值得注意的是，在STML建立前会出现明显的模式拍频动态，其持续时间可通过RSW的旋转进行调控。这一现象表明RSW的引入可影响腔内模式耦合过程，为理解STML建立机制提供了新线索。

Conclusion

本文通过在STML光纤激光器中引入RSW，在不改变腔体结构或关键参数的条件下，通过调控空间自由度实现了多种动态操作状态的可控切换。在6.4 W泵浦下，3°的RSW旋转范围内可实现多SM不同振荡相位之间的转换；更大角度旋转则可触发NLP、SS及SS/SM共存态的切换。在7 W泵浦下，2°旋转范围内可实现PS不同振荡动态、SS和光学怪波的转换；进一步旋转还可诱发QS/NLP与QS/SM两类共存态。该研究不仅拓展了对STML激光器中高维非线性动力学的认知，也为实现定向激发特定操作状态和推动STML技术的产业化提供了可行途径。