綜述:光纖雷射器中的光孤子

2021-01-08 OFweek維科網

日前，深圳大學微納光電子研究院張晗教授課題組宋宇鋒研究員在《Applied Physics Review》上發表了題為「Recent progress of study on optical solitons in fiber lasers」的綜述論文，論文系統回顧了光纖雷射器內可經過實驗觀察研究過的光孤子，同時對基於光纖雷射器的光孤子研究未來發展做出了展望。

1834年。約翰·斯科特·拉塞爾在蘇格蘭的一條運河裡首先觀察到了孤子現象。在他的報告中，孤子被定義為一種特殊的波，可以無扭曲傳播很長的距離。物理學中，孤子是一種自增強的局域孤子波包，可以在介質中長距離傳播而不改變形狀。孤子的研究適用於多個非線性領域物理場景，包括流體力學，等離子體物理，光學，生物與大氣系統、非線性光纖等。由於光通信和光信號處理系統的潛在應用，光孤子在過去三十年中引起了人們的極大興趣。以稀土摻雜光纖為增益介質的超快光纖雷射器被認為是研究時間光孤子的形成和動力學的理想平臺之一。

光脈衝在光纖中傳輸時，同時受到色散和非線性Kerr效應的影響。在兩種效應分別單獨作用影響下，脈衝均會發生展寬。在反常色散光纖中，色散和非線性的共同作用可以實現相互平衡，由此形成了傳輸中無形變的光脈衝，這種光脈衝被稱為光孤子，光纖傳輸中的光孤子一般可用非線性薛丁格方程來描述。在單模光纖的條件下， 由於雙折射的存在，腔內傳輸存在兩個互相垂直偏振模式，孤子如果以兩種模式相對獨立的傳輸，則可描述其為矢量孤子，如圖1所示。矢量孤子的描述由圖中所示的耦合非線性薛丁格方程來描述，耦合方程增加了四波混頻和交叉相位調製對脈衝傳輸的影響。

圖1 矢量孤子的產生示意圖

目前，研究的主要實驗研究平臺是鎖模光纖雷射器。利用被動鎖模技術實現的超短脈衝可以在光纖中形成光孤子，典型的鎖模光纖雷射器裝置如圖2所示。孤子光纖雷射器在光譜上具有明顯的對稱邊帶，時域脈衝寬度為皮秒或百飛秒量級。

圖2孤子鎖模脈衝光纖雷射器示意圖。

近十年來，在光纖雷射器中實驗觀測到了多種理論預測的光孤子。光纖雷射器中目前已經實驗觀測到由上述數學模型描述的光孤子，包括在色散，非線性效應共同作用下產生，基於傳統的非線性薛丁格方程亮孤子和暗孤子；在增益和損耗因素影響下，基於金斯伯格朗道方程的耗散孤子；基於耦合波方程的矢量孤子；偏振磁疇壁光孤子；以及多孤子產生機制下出現的有趣的孤子相互作用現象，以束縛態孤子，孤子雨等形式為代表。該綜述對上述的研究均做了詳細的回顧。

可飽和吸收體是孤子鎖模光纖雷射器的核心器件。在過去的十年裡，基於二維材料等新型非線性材料的可飽和吸收體快速發展極大促進了光纖雷射器中孤子的研究。隨著二維材料的進一步發展成熟，孤子光纖雷射器的研究將得到快速發展。

近年來，一種新的測量技術，時間拉伸光譜法在超快分析中開始廣泛應用。目前這項技術已廣泛用於光纖雷射器分析孤子脈衝動力學，孤子分子，孤子爆炸，耗散孤子，耗散孤子分子和相互作用，光怪波等等。時間拉伸分散傅立葉變換技術已經成為研究未來光纖雷射器中的孤子的重要工具。可以預見的是，隨著新材料新技術的不斷產生，孤子光纖雷射器研究不僅將得到更加快速的發展，同時會拓展出更多有價值的應用，推動光纖雷射器的產業化。

該項目得到了國家自然科學基金項目的資助。

第一作者：宋宇鋒

通訊作者：張晗

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    近年來，光纖雷射器輸出功率快速增長，高功率光纖雷射器各項關鍵技術的研究都取得了較大突破，增益光纖有了多種新型結構設計的摻雜光纖(如雙包層光纖、光子晶體光纖等)；泵浦耦合技術實現了端面、側面泵浦等多種耦合方式；雷射模式控制技術解決了高功率光纖雷射器光束質量和輸出功率之間的矛盾；光纖雷射器光束合成技術的研究也取得了較多成果。以下將綜述光纖雷射器關鍵技術的研究和發展情況。
  • 光纖雷射器原理、特點及趨勢
    由於採用雙包層光纖的特殊結構，雙包層光纖雷射器除了具有結構簡單、體積小、散熱性好、輸出雷射光束質量好等一些光纖雷射器的優點外，還有著一些獨特的優點：　　（1） 雙包層光纖作為波導介質，纖芯直徑非常小，在纖芯內限制了極少數的雷射模式，很容易形成高功率密度
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    光纖雷射器具有理想的光束質量、超高的轉換效率、免維護、高穩定性以及冷卻效率高、體積小等優點，具有許多其他雷射器無可比擬的技術優越性。　　2μm摻銩光纖雷射器由於其高效率、高輸出功率、對人眼安全、且位於透過率良好的「大氣窗口」等特性在科研領域有著巨大吸引力，它在材料處理、遙感、生物醫學和國防領域有著廣泛應用前景。
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    回顧近幾年雷射技術的發展，光纖雷射器作為新型光源一直保持著快速的發展，並逐漸在擴大應用領域。目前國內光纖雷射器整體水平與國際相比仍有一定的差距，但是隨著國內各大研究所及企業的不斷突破，國內外的差距正在逐漸縮小。