揭示含MoS2可饱和吸收体的超快光纤激光中矩形脉冲内部动力学

《Photonics》：Unveiling the Internal Dynamics of Rectangular Pulses in an Ultrafast Fiber Laser with MoS2 Saturable Absorber

　　

在这项工作中，研究人员展示了在掺入二硫化钼（MoS2）可饱和吸收体（Saturable Absorber，SA）的被动锁模掺铒光纤激光（Erbium-Doped Fiber Laser，EDF）中产生并演化矩形脉冲的行为。在较低泵浦功率下，激光工作于稳定的基频锁模状态。随着泵浦功率逐渐增大并进行适当偏振调节，出现带有光谱边带的矩形脉冲态，其时间宽度随泵浦增强从0.34 ns拓宽至0.85 ns。研究人员采用色散傅里叶变换（Dispersive Fourier Transform，DFT）测量捕获所产生矩形脉冲的实时光谱演化，揭示此类脉冲由强度随机变化的混沌子脉冲组成。此外，数值模拟与实验观测具有合理一致性。上述结果揭示了控制态跃迁与时间宽度拓宽的脉冲动力学，有助于更深入理解超快光纤激光中的非线性现象。

研究背景方面，被动锁模光纤激光因光束质量高、腔型设计灵活、全光纤集成兼容性好，成为紧凑超快光源研究平台；其脉冲形成受色散、克尔非线性、增益、损耗与可饱和吸收共同支配，可支持传统孤子、色散管理孤子、耗散孤子、噪声样脉冲与谐波锁模等状态。二硫化钼（MoS₂）因宽带吸收可靠、与光纤系统兼容，已成为光纤激光常用二维材料平台，并可支撑从高阶孤子到高能矩形脉冲的多种脉冲态。然而，矩形包络既可能来自耗散孤子共振（Dissipative Soliton Resonance，DSR），也可能来自含快速起伏亚皮秒子脉冲的矩形噪声样脉冲；已有文献多从平均脉冲形状、高能脉冲产生、双波长运行或脉冲共存角度研究，泵浦驱动包络拓宽与腔内往返分辨的内部子脉冲演化之间仍缺乏直接联系，宏观包络拓宽常被间接推断而非逐圈观测证实。因此，研究人员在MoS₂辅助掺铒光纤环形腔中，用往返分辨DFT、涨落统计与数值建模把矩形包络拓宽与内部随机子脉冲系综演化直接关联，这正是本研究要解决的问题与意义所在。该论文发表于《Photonics》。

主要关键技术方法上，研究人员搭建约20.2 m环形腔，由2.5 m EDF与约10 m标准单模光纤（Single-Mode Fiber，SMF）构成，净色散约-0.35 ps²，用微光纤基MoS₂-SA启动被动锁模，用偏振控制器（Polarization Controller，PC）调偏振、偏振无关隔离器定传播方向、20/80耦合器分光；用光学频谱仪测光谱，用示波器测时域脉冲序列，用射频频谱仪测RF谱，用自相关仪估脉宽；用DFT对连续腔往返单发光谱作三维演化记录，并对每圈相对光谱能量与波长分辨变异系数作定量统计；数值上用含饱和增益与瞬时SA的复Ginzburg–Landau方程，固定小信号增益、改变有效增益饱和能量E_s来定性复现可用增益能量增加时的包络拓宽与内部演化。

1. 1.
   Experimental Setup
   研究人员通过环形腔结构、EDF提供1550 nm波段增益、980 nm激光二极管经WDM泵浦、MoS₂-SA提供强度依赖透射，测得SA调制深度约39%、非饱和损耗约59.8%、饱和强度约4 MW/cm²；该小节确立腔长、色散、取样比例与测量仪器体系，为后续状态比对建立实验底座。
2. 2.
   Results and Discussion
   在低泵浦22 mW，激光为基频锁模：光谱中心1559.1 nm、3 dB带宽5 nm，时域间隔101.2 ns即重复频率约9.88 MHz，RF基频信噪比超60 dB，自相关拟合sech²后脉宽约1.1 ps，时间带宽积约0.72，说明脉冲带啁啾。250 mW为过渡态：光谱展宽至3.7 nm并出现边带，时域仍规则但无清晰矩形包络，自相关脉宽约0.78 ps，时间带宽积约0.36。350 mW出现明确矩形脉冲：光谱铺展1540–1578 nm，矩形包络全宽半高（FWHM）0.34 ns，自相关窄特征约1.12 ps、时间带宽积约1.09，纳米秒包络与皮秒自相关共存符合噪声样/矩形噪声样脉冲特征。DFT显示250 mW过渡态光谱集中约1560 nm且局峰位置幅度逐圈变；350 mW单发光谱广布且非重复起伏；450 mW包络拓至0.70 ns而随机重排持续。相对光谱能量变异系数250/350/450 mW为1.30%/1.47%/0.84%，波长分辨平均变异系数17.7%/18.8%/13.5%，说明总能量较稳、内部光谱分布显著随机，矩形波包由强度随机的子脉冲组成。图6总结泵浦依赖：350→400→450→502 mW包络FWHM为0.34→0.43→0.70→0.85 ns，无脉冲分裂；平均输出功率3.1→6.1 mW，重复频率约9.88 MHz下脉冲能量0.31→0.62 nJ，表明附加能量伴包络扩张，与矩形噪声样脉冲能量标度一致。
3. 3.
   Numerical Simulation
   研究人员用复Ginzburg–Landau方程，EDF与SMF色散和非线性系数接近实验，净色散约-0.36 ps²，小信号增益g₀=1100 km^-1，SA参数α_n=0.39、α_ns=0.598、P_s=100 W，输出耦20%；以E_s=0.4、0.8、1.2 nJ代表低中高有效增益能量。光谱演化上，E_s增大使谱线更密、局部对比增强但带宽受EDF增益带宽与非线性耗散平衡限制；时域图上E_s=0.4 nJ子脉冲轨迹聚中心，0.8 nJ占用区间拓宽并生丝状轨迹，1.2 nJ跨最宽时窗且可辨内部轨迹最多。结论为更大可用增益能量削弱增益饱和，SA压弱背景、保强局域结构，色散与自相位调制（Self-Phase Modulation，SPM）重分配能量，单脉冲难容能量时多脉冲化更有利，从而定性复现实验泵浦依赖拓宽与DFT所见非重复内部结构。

讨论部分总结：矩形脉冲不能仅由平均形状判定，DSR与矩形噪声样脉冲机制不同；既往研究多从平均特征推断内部演化，本文用往返分辨DFT加定量涨落统计加数值模型，把宏观包络拓宽解释为内部随机子脉冲系综随可用增益能量增加而生成、时空扩散的结果。包络拓宽不消除随机内部光谱动力学，涨落幅度也不随泵浦单调增；该框架可推广至具相似增益、SA、色散与非线性的其他耗散光纤激光系统。

结论部分翻译：含MoS₂的掺铒光纤激光在调节泵浦功率与腔内偏振态时，呈现从基频锁模到矩形脉冲发射的明确转变。矩形脉冲态建立后，泵浦由350 mW升至502 mW使包络FWHM由0.34 ns拓至0.85 ns，基频重复率约9.88 MHz且高RF信噪比维持。DFT捕获的非重复往返光谱，连同皮秒自相关特征与脉冲能量涨落，证明矩形波包具随机内部结构。数值模拟进一步显示内部子脉冲占用时域区间随可用增益能量增大而拓展，说明附加增益能量主要通过形成并时空扩散更多内部子脉冲被容纳，而非单局域脉冲连续放大；内部子脉冲系综扩张反映为实验所见矩形包络拓宽。相较既往聚焦高能脉冲产生、脉冲形状共存或平均泵浦演化的工作，本研究借实验与模拟把包络拓宽同往返分辨内部动力学联系。尽管结果得自MoS₂辅助光纤激光，该解释亦有助于理解具相似增益、可饱和吸收、色散与非线性效应的其他耗散光纤激光系统中的矩形噪声样脉冲。