近日，北京交通大学物理科学与工程学院激光研究所郑义、彭继迎团队与北京邮电大学电子工程学院肖晓晟课题组合作，在时空锁模方面取得了重要进展。合作团队基于多模增益光纤和无源光纤，研制了一种结构简单的高光束质量高功率全光纤时空锁模激光器，激光器可分别工作在多模耗散孤子锁模和类噪声脉冲锁模状态。该研究为时空锁模激光的研究和应用打开了一个新的窗口，为高功率高光束质量超短脉冲光纤激光器提供了一种新的实现方法。相关研究成果以“Investigation of High‐Power Spatiotemporal Mode‐Locking with High Beam Quality”为题，于2023年7月20日在线发表于Laser & Photonics Reviews上。北京交通大学物理科学与工程学院博士生张怀伟为论文第一作者，北京交通大学物理科学与工程学院彭继迎和北京邮电大学电子工程学院肖晓晟为论文共同通信作者。2017年时空锁模首次被提出，而后迅速成为锁模激光领域的研究热点。时空锁模即多横模和纵模的同时锁定。由于多模光纤额外的空间自由度，时空锁模激光器不仅成为研究复杂非线性时空动力学的平台，而且有望实现高功率高能量脉冲输出，为实用化大功率超短脉冲振荡器的研制提供切实可行的方案。因此，无论是从基础科学还是应用角度研究时空锁模激光器都有着重要的意义。目前，对时空锁模的报道主要集中在基础科学如非线性动力学的研究等方面，而如何将时空锁模激光器实用化，亟待研究。从应用的角度，如何利用多模增益光纤的优势，在全光纤、结构简单的激光器中实现高稳定高功率锁模的运转，同时克服散斑畸变实现高光束质量输出，具有重要的研究价值，但同时也具有很大的挑战性。在本工作中，研究团队提出利用光纤自身或光纤续接时产生的滤波功能构建“虚拟滤波器”结构，采用阶跃折射率多模增益光纤减小非线性，并且巧妙运用多模光纤中的自清洁效应，使得时空锁模、高功率、高光束质量机制互通、相互支撑，设计了一个结构简单的全正色散多模腔，在锁模激光器中实现了对场的时空控制。实验装置如图1所示。图1 实验装置。Yb-doped MMF,增益光纤(20/125)；OM4 ,渐变折射率多模光纤(50/125)；PD-ISO，偏振相关隔离器；FMF，少模光纤(10/125)；STIN MMF,阶跃折射率多模光纤当泵浦功率相对较低时，时空锁模激光器工作在耗散孤子状态。时空锁模的最大平均输出功率高达1.16 W；输出光束轮廓的Mx2 = 1.18，My2 = 1.13。输出脉冲可以去啁啾到137 fs。此外，利用多模非线性薛定谔方程建立模型，仿真研究了腔内脉冲的演化过程，如图2所示。图2 耗散孤子状态下，激光器的输出参数和相应的腔内脉冲时域和频域演化的数值模拟如图3所示，时空锁模激光器工作在类噪声脉冲状态时，最大平均输出功率为2.37 W，输出光束轮廓的Mx2 = 1.18，My2 = 1.13。研究人员进一步发现，通过减小腔内少模光纤长度，在保持高质量的输出光束轮廓的同时，可以将最大平均输出功率提升至3.48 W。
图3 (a) (b) (c)类噪声脉冲状态下，激光器的输出参数。(d)随少模光纤长度减少，输出功率的变化研究人员认为，高质量光束的形成是因为高功率脉冲在多模光纤中传输时，在腔内诱导了克尔光束自清洁效应，并且采用数值模拟研究了这一现象，如图4所示。光束自清洁促使高阶模能量耦合到基模，又反过来促进振荡器高功率运转时的稳定，高功率和高光束质量机制互通、相互支撑。
图4 数值研究多模光纤内的克尔光束自清洁效应该工作创新设计、化繁为简，有效平衡谐振腔内多种机制，利用普通的光纤和器件，构建了一个结构简单的全光纤、高光束质量、高功率的时空锁模激光器；将时空锁模激光器的平均输出功率提升到瓦级以上，并且当高功率脉冲传输时，腔内诱导了光束自清洁而同时产生高质量光束；为进一步研究高功率下时空锁模激光的行为和探索极端事件提供了平台，也为研制实用化的超短脉冲激光器提供了一种有潜力的方案。
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