最近几年，Cornell大学Frank Wise教授课题组在Mamyshev振荡器、时空锁模和增益管理放大等新技术，不断突破光纤激光器性能参数的极限。然而，各项技术依然存在短板，技术之间的融合为创新提供了新思路。在2022年CLEO会议中，Wise教授课题组多次分享在光纤激光器中取得的最新进展，本期我们将分享其中的三个报告。
第一个报告的工作是在负色散的多模光纤中实现时空锁模。时空锁模即激光器横模和纵模同时锁定，这些横模具有不同的光谱，因此激光输出光谱呈现出不规则的光谱梳齿序列（图1）。由于自由度增加，实现稳定锁模需要更多的控制单元，包括多模光纤、可饱和吸收体、光谱滤波器和空间滤波器等。
图1 时空锁模概念
正色散光纤中非线性相互作用相对更简单，因此时空锁模率先在正色散多模光纤中实现。在该报告中，作者试图在负色散多模光纤中实现时空锁模，并在实验中验证多模孤子的存在。
图2 负色散多模光纤时空锁模
如图2所示，激光环形腔包括单模掺铒光纤、多模光纤、可保和吸收体、空间滤波器等器件，通过改变增益光纤和多模光纤熔接处的轴心偏移以激发不同的高阶模式，最终得到图3中的实验结果。
图3 负色散时空锁模实验结果
在熔接偏移量分别为0 μm、6 μm、10 μm时，都能实现时空锁模，但是输出的模式和光谱都有明显差异，偏移量越大，高阶模式占比越多，输出光谱也越不规则。在偏移10 μm时，输出光斑如图3右侧所示，图中蓝色和红色标记处对应的脉冲宽度分别为310 fs和250 fs。值得注意的是，在偏移量为0 μm时，光谱存在明显的凯利边带，表明孤子的存在，当偏移量增加时，光谱凯利边带不明显，孤子特征消失。作者结合模拟工作，得出结论：在单模光纤结合多模光纤的设计中无法实现多模孤子锁模状态。
在第二个报告中，该课题组将多模光纤和Mamyshev振荡器结合，进一步突破光纤激光器中光纤非线性对输出功率的限制。随着锁模技术的发展，从孤子锁模到色散管理孤子、耗散孤子、再到耗散孤子Mamyshev振荡器，输出的脉冲能量依次增加，激光器的自由度也逐渐增加，光路设计也越来越复杂。其中Mamyshev振荡器是最近几年新兴的光纤激光器类型。腔体由两部分增益光纤和两个滤波器组成（图4），脉冲需要在两段增益光纤中分别进行光谱展宽以通过对应的两个带通滤波器。Mamyshev振荡器的饱和能量非常高，并且非饱和损耗很小。
图4 Mamyshev振荡器运行机制
作者基于多模光纤的Mamyshev振荡器如图5所示。模拟的光谱演化结果 表明，光谱演化和单模情况相似，仅是在多模光纤中激发了部分高阶模式。
图5 多模光纤Mamyshev振荡器
实验中通过调节光路，可获得不同的锁模状态。其中比较典型的两种状态如图6所示，第一种空间模式耦合较弱的状态下，输出脉冲能量为20 nJ、宽度为300 fs，光斑不同位置处的光谱差异较大，但脉冲都比较接近。另一种空间模式耦合较强的状态，光斑形状不规则，光谱和脉冲的差异都比较大。值得注意的是，在调整好实验光路后，锁模前后的输出光斑形状非常接近（图6下），因此可以在不锁模的情况下，通过调节单模光纤和多模光纤的耦合，预先调节锁模后输出光斑的模式。
图6 锁模结果
第三个报告，为了更实用，该课题组研发了一台高能量、全光纤、能够自启动的Mamyshev振荡器。如前所述，Mamyshev振荡器把光纤激光器直接输出的参数提升了一个量级，但是高参数往往需要复杂设计，且无法自启动，逐渐脱离光纤激光器的优势。在Mamyshev振荡器发展过程中，人们一直试图保留光纤激光器稳定（全光纤）和自启动这两个特点。然而，对于Mamyshev振荡器来说，高能量和自启动相互冲突，根源在于这两种情况需要选择不同滤波器组合（图7）。为了较容易实现自启动，两个滤波器要有一定的重叠以允许锁模初始阶段的连续光运转，然后利用泵浦调制实现锁模。但是，重叠较多的两个滤波器导致腔内饱和通量较小，继续增加能量将产生多脉冲，因此为了得到高脉冲能量输出，需要增加两个滤波器之间的中心波长间隔，这种情况下需要外部输入脉冲以实现锁模。
图7 Mamyshev中自启动和高能量的权衡
为了兼顾这两种情况的优势，作者提出了新的设计思路：将Mamyshev振荡器中一路增益光纤换成无源光纤（图8中的PF），由于在无源光纤中没有增益，和增益光纤相比相当于增加了损耗，因此需要更高的脉冲能量才能在PF中获得足够的光谱展宽，以通过PF后的滤波器。整个激光器为非常简单的全光纤结构，并且通过泵浦调制可以实现自启动。
图8 无源光纤Mamyshev振荡器
实验所得输出脉冲及光谱（线性和对数坐标）如图9所示，由于增益光纤部分使用了增益管理放大，光谱中心波长向长波移动，光谱带宽也较宽，最终输出脉冲能量为110 nJ，压缩后脉冲能量为80 nJ，宽度为40 fs。
光纤激光器的设计由简单变复杂，光纤从单模转向多模，光纤激光器中复杂的效应逐渐显现。在保证光纤激光器优良特性的基础上，研究者们一直致力于发展新技术来不断突破瓶颈，提升脉冲能量且缩短脉冲宽度，同时拓展超快光纤激光的应用领域。
原文标题 : 超快光纤激光技术之二十八 CLEO2022回顾之五
