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超快激光器

超快光纖光源新思路:超短激光脈沖新紀錄

來源:長光所Light中心 中國光學2020-08-10 我要評論(0 )   

原創(chuàng) 長光所Light中心 中國光學撰稿 | 何泊衢 博士(華東師范大學)01導讀克爾諧振器是一種結構很簡單,卻能產(chǎn)生很復雜的非線性現(xiàn)象的光學系統(tǒng)。應用前景在于超快飛秒脈...

原創(chuàng) 長光所Light中心 中國光學
撰稿 | 何泊衢 博士(華東師范大學)


01
導讀
克爾諧振器是一種結構很簡單,卻能產(chǎn)生很復雜的非線性現(xiàn)象的光學系統(tǒng)。應用前景在于超快飛秒脈沖和光學頻率梳的產(chǎn)生,其中光學頻率梳在精密光譜、頻率合成、精準測距、阿秒脈沖產(chǎn)生甚至天文光譜校準方面都有重要的應用。然而,相對于傳統(tǒng)的鎖模光纖激光器,克爾諧振器的相關研究尚淺,一些關鍵技術參數(shù)不如前者,有待科學工作者去開拓創(chuàng)新,技術突破。


近日,Physical Review Letters期刊以“Stretched-Pulse Soliton Kerr Resonators”為題報道了一種基于展寬脈沖孤子的色散管理光纖克爾諧振器(如圖一所示),可以產(chǎn)生210fs的脈沖,是同類型光源迄今為止產(chǎn)生最短的脈沖。


這項工作由美國三大光學中心之一羅徹斯特大學(University of Rochester)的光學研究所教授William H. Renninge團隊完成,Xue Dong是第一作者和通訊作者。

圖1 展寬脈沖孤子光源
圖源:University of Rochester


02
背景介紹
強有力的通用激光光源一直是學術界和產(chǎn)業(yè)界的關注焦點,同時也與我們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P。小到手機logo的激光打標,大到5G時代的光通信,近到鋼材鋼板的激光切割,遠到北斗上的時間頻率標準設備,都離不開激光光源。


傳統(tǒng)激光光源可以是固體激光器、半導體激光器以及光纖激光器等等。眾所周知,新的技術出現(xiàn)往往意味著新的可能性,新的探索邊界意味著迷霧之外的廣闊天地??藸栔C振器就是一種產(chǎn)生超快激光的新技術。


克爾諧振器,通過連續(xù)激光器泵浦,通過參量頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生寬帶的腔內(nèi)模式。通過建立腔內(nèi)模式的相位穩(wěn)定關系以及時間相干性,克爾諧振器可以產(chǎn)生鎖模脈沖。


克爾諧振器作為激光光源而言,相對于光纖激光器,理論上可以產(chǎn)生任意波長和重復頻率的激光脈沖,不受增益介質(zhì)的限制。這是最吸引研究者的地方。然而,未來是光明的,道路是崎嶇的。對于光纖克爾諧振器的研究尚少,很多問題有待厘清。例如,用于鎖模激光器中的高級技術,如色散管理,能否用于克爾諧振器?


03
創(chuàng)新研究
針對以上問題,羅徹斯特大學的Xue Dong等人進行了相關研究。具體的實驗裝置圖如圖2所示。


脈沖在一個振蕩器或者激光器中形成,是腔內(nèi)群速度色散和克爾非線性相位達到平衡的一個結果。對腔內(nèi)色散人為地進行管理,當腔內(nèi)色散接近零,此時可以形成展寬脈沖,有利于產(chǎn)生很短的飛秒脈沖。具體來說,脈沖受到正色散的影響會展寬,受到負色散的影響會壓縮。在一個色散精細設計的腔內(nèi),脈沖在腔內(nèi)運行的時候,會展寬而又壓縮,在一次腔內(nèi)循環(huán)中兩次到達傅里葉變換極限的脈寬。


文章創(chuàng)新之處在于通過數(shù)值模擬以及實驗驗證,表明色散管理技術可以用于光纖克爾諧振器,產(chǎn)生超短脈沖,最短可以到210fs。脈沖展寬和壓縮的比值可以到3:1。對于脈沖的時域和頻域進行測量,形狀是高斯型,也應證了處于展寬脈沖機制。傅里葉變換受限的脈沖寬度強烈依賴于腔內(nèi)總色散和驅(qū)動功率。

圖2 展寬脈沖克爾諧振器的實驗裝置圖
圖源:Phys. Rev. Lett. 125,033902(2020)(Fig.2)


04
應用與展望
受益于光纖優(yōu)秀的熱管理能力、單模運行、低波導損失以及商業(yè)化的高質(zhì)量器件,光纖克爾諧振器有望在全光學緩存、長距離相互作用、空間時間不穩(wěn)定性等方面得到技術拓展。展寬脈沖的克爾光纖諧振器,也給無波長依賴的超快光纖光源,提供了一種新的技術路線。同時也給微環(huán)諧振器和體增強諧振腔相關技術轉(zhuǎn)移帶來新的希望。讓我們對未來拭目以待。
文章信息
相關成果以Stretched-Pulse Soliton Kerr Resonators為題,發(fā)表在 Physical Review Letters 。
論文地址:
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.033902


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超快光纖激光器諧振腔
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