《Optics & Laser Technology》：Identifying reproducible broadband formation in Gain-Managed nonlinear fiber amplifiers by Single-Shot Spectral-State metrology
编辑推荐：
摘要在增益控制型非线性光纤放大器中，稳定的宽频谱生成通常通过平均光谱来评估，但这类测量无法确定宽频谱包络是由每个单独脉冲产生，还是通过对波动的单次发射光谱进行平均得到的。在此，我们建立了一种基于脉冲分辨的光谱状态计量框架，用于识别全光纤增益控制型非线性放大器中可重复产生的宽频谱现
摘要
在增益控制型非线性光纤放大器中，稳定的宽频谱生成通常通过平均光谱来评估，但这类测量无法确定宽频谱包络是由每个单独脉冲产生，还是通过对波动的单次发射光谱进行平均得到的。在此，我们建立了一种基于脉冲分辨的光谱状态计量框架，用于识别全光纤增益控制型非线性放大器中可重复产生的宽频谱现象。通过使用经过校准的色散傅里叶变换诊断模块来重建连续的单次发射光谱。在1000–1100纳米范围内进行的全范围校准使得波长到时间的映射斜率为0.1348纳秒/纳米，对应的总色散为134.8皮秒/纳米，同时还应用了二阶校正以弥补被动光纤的残余色散斜率。通过分析泵浦效应带来的光谱变化，我们明确了四种运行模式：增益主导的放大、过渡态光谱展宽、稳定的增益控制型非线性运行以及过驱动下的光谱波动。在稳定状态下，该放大器能够产生以1064.28纳米为中心的宽频谱，其3dB带宽为43.25纳米，且在2.0瓦的平均功率下可实现49飞秒的脉冲压缩。对1000个连续单次发射光谱的统计分析显示，光谱中心点的标准差为0.039纳米，3dB带宽的标准差为0.121纳米，积分强度的波动率为0.44%，相邻脉冲之间的光谱相关系数为0.9998。这些基于脉冲分辨的指标表明，该宽频谱是作为可重复的单脉冲状态产生的，而非光谱平均的结果。这项工作为识别非线性超快光纤放大器中的稳定运行区间提供了一种实用的计量方法。
引言
超快光纤光源与非线性光纤放大器已成为飞秒科学、精密微加工、非线性频率转换、生物医学光子学以及高场光与物质相互作用等领域的重要技术平台[1]、[2]、[3]、[4]。在这些应用中，通常需要宽且可压缩的光谱，以便支持短脉冲时长和高峰值功率。这类系统的传统表征方法主要依赖于平均光谱、自相关或频率分辨的脉冲时长测量、射频光谱、平均功率稳定性以及光束质量检测。这些测量对于评估超快光源的实际性能至关重要。然而，在强非线性放大系统中，它们无法直接表明所测得的宽频谱是否由每个单独脉冲产生。平滑的平均光谱可能代表稳定的单脉冲光谱状态，但也可能是由波动的各次发射光谱经过整体平均得到的。当输出光谱受到耦合的非线性和增益相关过程的共同影响时，这种不确定性尤为重要，这些过程包括自相位调制、正常色散、增益饱和、动态增益重塑以及光谱过滤等。
增益控制型非线性（GMN）放大技术作为一种从光纤系统产生宽频且可压缩的飞秒脉冲的有效方法，近年来得到了快速发展[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。与传统啁啾脉冲放大技术不同，后者通常会尽量减少非线性相位积累以保持脉冲质量，而GMN放大技术则刻意利用自相位调制、正常色散、增益饱和以及动态变化的增益光谱之间的相互作用。在适当条件下，这种相互作用能够突破通常由增益效应导致的窄化限制，从而产生平滑的宽频谱，这类谱线还可通过外部手段被压缩至飞秒甚至几周期的时长[5]、[6]。这些特性使得GMN放大技术成为开发紧凑、坚固且环境稳定性好的超快光纤光源的理想选择。同时，由于该技术具有非线性和增益控制的特性，脉冲演化过程会对泵浦功率、种子脉冲的啁啾程度、输入光谱形状、增益饱和度、累积的非线性相位以及放大器的运行点极为敏感。因此，GMN放大技术不仅为高性能飞秒光纤光源的开发提供了实用途径，也为研究在增益驱动的非线性系统中如何形成稳定宽频谱提供了重要研究平台。
在GMN放大技术中，一个核心问题在于：传统测量中观察到的宽频谱是否实际上是一种可重复的单脉冲状态。目前大多数关于GMN系统的研究都是通过光谱分析仪、自相关器、功率计、光束质量检测以及长期稳定性测试来进行的[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。这些测量可以提供有关平均光谱、压缩后的脉冲时长、平均输出功率、光束质量以及宏观稳定性的重要信息。然而，光谱分析仪记录的是多个脉冲的累积响应，因此无法判断每个脉冲是否都具有相似的宽频谱包络。在处于过渡态或过驱动运行状态时，这种局限性更为明显，因为此时种子条件、非线性相位积累或增益饱和度的微小变化都可能导致不同脉冲之间的光谱差异。因此，关键问题不仅在于GMN光谱能够变得多宽，还在于宽频谱状态是否能够在每次发射之间以可重复的方式产生。
色散傅里叶变换（DFT）为实时进行单次发射光谱测量提供了一种强大的方法[10]、[11]、[12]、[13]。通过将光脉冲传播到具有足够色散特性的介质中，不同波长的光成分会获得不同的群延迟，从而使光谱能够被转换为时间上延展的波形。该波形随后可以通过高速光电探测器和实时示波器进行记录，进而实现连续单次发射光谱的重建。DFT及相关的时间拉伸技术已被广泛用于揭示各种瞬态且不可重复的超快现象，包括光学孤波、孤子爆炸、耗散孤子动力学、孤子分子演化以及模式锁相光纤激光器中的光谱不稳定性[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。这些研究已经证明，单次发射光谱测量能够揭示出平均仪器无法捕捉的隐藏动态。不过，基于脉冲分辨的光谱诊断技术至今尚未被充分用于评估GMN光纤放大器的运行状态。尤其尚不清楚，当GMN放大器从增益主导的放大状态逐渐过渡到稳定的宽频谱运行状态，最终进入过驱动的波动状态时，其单次发射光谱会如何变化。
在此，我们建立了一种基于脉冲分辨的光谱状态计量框架，用于识别全光纤GMN放大器中可重复产生的宽频谱现象。我们并未将平均输出光谱视为判断系统稳定运行的唯一依据，而是通过重建连续的单次发射光谱并分析其统计特性，来判断宽频GMN光谱是否是以可重复的单脉冲状态产生的。DFT诊断模块在1000–1100纳米的整个波长范围内都经过了校准，由此得到的波长到时间的映射斜率为0.1348纳秒/纳米，对应的总色散为134.8皮秒/纳米。之后又进行了二阶波长到时间校准，以补偿光纤色散的残余波长依赖性，而且通过与传统光谱分析仪的测量结果进行对比，进一步验证了重建光谱的准确性。借助这一经过校准的诊断方法，我们清晰地观察到了从低泵浦增益主导的放大状态向过渡态展宽、稳定的GMN运行状态，再到过驱动光谱波动状态的转变过程。在稳定的GMN运行状态下，该放大器能够产生以1064.28纳米为中心的宽频谱，其3dB带宽为43.25纳米，且在2.0瓦的平均功率下可实现49飞秒的脉冲压缩。对1000个连续单次发射光谱的统计分析显示，光谱中心点的标准差为0.039纳米，3dB带宽的标准差为0.121纳米，积分强度的波动率为0.44%，相邻脉冲之间的光谱相关系数为0.9998。这些基于脉冲分辨的指标充分证明，该宽频谱是能够在每次发射之间以可重复方式产生的，而非光谱平均的结果。这项工作将GMN光纤放大器的评价方式从基于平均输出特性的分析转变为基于实时光谱状态的分析，为识别非线性超快光纤放大系统中的稳定运行区间提供了实用方法。此外，这些经过提取的脉冲分辨指标还为针对特定系统进行稳定性评估以及未来实现对放大器运行点的反馈控制提供了可能的基础。
章节要点
全光纤GMN放大器及脉冲分辨DFT诊断系统配置
图1展示了全光纤增益控制型非线性放大器以及脉冲分辨色散傅里叶变换诊断系统的实验配置。图1(a)呈现了完整的激光系统，包括被动模式锁相的全光纤种子振荡器、基于带通滤波器的光谱预处理模块、主Yb掺杂光纤放大器、光栅对压缩器，以及DFT采样模块的总体结构。图1(b)则详细展示了单次发射光谱的DFT测量过程。
单次发射光谱状态计量的校准与准确性验证
在分析GMN放大器中受泵浦效应影响的光谱状态变化之前，首先对DFT诊断模块进行了校准，并系统地验证了其光谱重建的准确性，相关结果如图3所示。这一步非常重要，因为后续的分析不仅需要依靠单次发射光谱的定性展示，还需要借助包括光谱中心波长、3dB带宽、波长分辨的波动幅度以及相邻脉冲之间的相关性等定量光谱指标。
结论
综上所述，我们提出了一种基于脉冲分辨的光谱状态计量框架，可用于识别全光纤增益控制型非线性放大器中可重复产生的宽频谱现象。通过将GMN放大器与经过校准的DFT光谱分析技术相结合，我们能够实时重建连续的单次发射光谱，从而超越传统的基于平均光谱的评估方式来分析宽频谱放大过程。DFT诊断模块在1000–1100纳米的整个波长范围内都完成了校准。
CRediT作者贡献说明
童霞：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，方法论，资金获取，数据整理，概念构思。董欣：验证，研究分析，数据整理。杨静：项目管理，方法论，研究分析。郑宝罗：项目管理，方法论，研究分析。钱凯：写作——审阅与编辑，项目管理，资金获取。赵赫：写作——审阅与编辑，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的资助，项目编号为62365009；同时也获得了湖北省自然科学基金的资助，项目编号为JCZRMS202601427；此外还得到了湖北民族大学博士科研启动基金的支持，项目编号为BS26018。
童霞|董欣|杨静|郑宝罗|钱凯|赵赫
