江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：

7月17日，在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表的論文中，羅切斯特大學(xué)光學(xué)系助理教授威廉·雷寧格（William Renninger）和他的實(shí)驗(yàn)室成員開(kāi)發(fā)了一種新的裝置，稱為“拉伸脈沖孤子克爾諧振器”，創(chuàng)建了比過(guò)去激光源更寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的超短、超快而超強(qiáng)的激光脈沖技術(shù)。

克爾諧振器是指基于克爾效應(yīng)的諧振器，是支持復(fù)雜非線性光學(xué)現(xiàn)象的最簡(jiǎn)單系統(tǒng)之一?？藸栃?yīng)，也稱“二次電光效應(yīng)”，是物質(zhì)因響應(yīng)外電場(chǎng)的作用而改變其折射率的一種效應(yīng)。該效應(yīng)最先由蘇格蘭科學(xué)家約翰·克爾（John Kerr）在1878年發(fā)現(xiàn)，因此得名。由于它們?cè)诋a(chǎn)生超短光脈沖和頻率梳方面的實(shí)用價(jià)值，最近引起了相當(dāng)大的關(guān)注。頻率梳適用于多種應(yīng)用，包括光譜學(xué)、頻率合成、距離測(cè)距、阿秒脈沖生成以及天文攝譜儀校準(zhǔn)。

克爾諧振器可以做得非常緊湊，包括在芯片上對(duì)于具有小形狀因子、簡(jiǎn)單處理、低驅(qū)動(dòng)功率以及千兆赫到太赫線間距的頻率梳生成。宏觀上，在大量克爾增強(qiáng)腔中，減少的非線性材料為更高能量水平下的脈沖壓縮提供了新的性能。最早的克爾諧振器脈沖生成演示是在基于光纖的空腔中進(jìn)行的，尺寸在微觀和整體態(tài)之間。光纖的最初演示是由全光緩沖激發(fā)的。與其他克爾諧振器平臺(tái)相比，光纖提供了出色的熱管理、嚴(yán)格的單模操作、極低的波導(dǎo)損耗和市場(chǎng)上可買到的高質(zhì)量光學(xué)元件。

克爾諧振器由連續(xù)波激光器驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)參數(shù)頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生寬帶腔模。為了在腔模之間建立時(shí)間相干和規(guī)則的相位關(guān)系，必須將克爾諧振器鎖模。鎖模是光學(xué)里一種用于產(chǎn)生極短時(shí)間激光脈沖的技術(shù)，脈沖的長(zhǎng)度通常在皮秒（10負(fù)十二次方秒）甚至飛秒（10負(fù)十五次方秒）。與具有有源增益介質(zhì)的激光系統(tǒng)一樣，克爾諧振器通過(guò)在腔中形成光學(xué)孤子而被鎖模。克爾諧振器中最常見(jiàn)的孤子模式鎖定與激光系統(tǒng)中的孤子模式鎖定有關(guān)：脈沖是通過(guò)反常群速度色散(GVD)效應(yīng)和克爾非線性相位之間的平衡而形成的，脈沖之間存在細(xì)微差別參數(shù)。但是，盡管相關(guān)，但寬帶激光增益與克爾諧振器中的單頻驅(qū)動(dòng)之間的差異是非常重要的，這個(gè)重要問(wèn)題尚未解決。例如，用于鎖模激光器的先進(jìn)孤子技術(shù)是否也適用于克爾諧振器？盡管克爾諧振器可以支持波長(zhǎng)和重復(fù)率通用脈沖，但是這些脈沖的持續(xù)時(shí)間比鎖模激光器的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)得多。如果可以將激光器的新型鎖模技術(shù)應(yīng)用于克爾諧振器，則可以避免這種限制。

與全反常色散激光器中的孤子鎖模相比，拉伸脈沖鎖模能夠使色散激光產(chǎn)生更短的飛秒脈。與已建立的克爾共振孤子相反，拉伸脈沖孤子的特征是每次往返都有拉伸和壓縮的高斯時(shí)間分布。拉伸脈沖鎖模現(xiàn)在是鎖模激光系統(tǒng)的一種常用技術(shù)，因?yàn)樗惯@些系統(tǒng)的脈沖最短，持續(xù)時(shí)間現(xiàn)在達(dá)到幾個(gè)光學(xué)周期。

在William Renninger實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的拉伸脈沖孤子Kerr諧振器中，單頻激光器進(jìn)入光纖環(huán)形腔，在輸出處產(chǎn)生寬帶寬的頻率梳，支持超短飛秒脈沖。在光纖腔內(nèi)，脈沖隨時(shí)間伸展和壓縮，在兩個(gè)光纖段中每個(gè)光纖段的中心附近的腔中達(dá)到最小持續(xù)時(shí)間兩次。飛秒拉伸脈沖孤子克爾諧振器的顯著特征是拉伸和壓縮的時(shí)間演化。圖片來(lái)源：Michael Osadciw /羅切斯特大學(xué)

研究人員研究了在克爾諧振器中拉伸脈沖孤子的觀察和分析。在總色散小且異常的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)色散光纖諧振器中，會(huì)生成穩(wěn)定的拉伸脈沖孤子。這些脈沖具有寬光譜帶寬和210飛秒的壓縮脈沖持續(xù)時(shí)間，這是迄今為止從光纖克爾諧振器觀察到的最短脈沖持續(xù)時(shí)間。

現(xiàn)有的飛秒激光器非常昂貴而且難于使用，實(shí)際上，大部分飛秒激光器的成本是在于其專業(yè)研究開(kāi)發(fā)費(fèi)用，而不是在于其組件的成本。

如上圖所示實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。：強(qiáng)度調(diào)制器（IM）、摻鉺光纖放大器（EDFA）、光纖布拉格光柵（FBG）、光譜分析儀（OSA）、色散補(bǔ)償光纖（DCF）、偏振控制器（PC）、隔離器（ISO）、循環(huán)器（CIR）和分束器（BS）。

研究人員從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了拉伸脈沖孤子對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的依賴關(guān)系。拉伸脈沖孤子的帶寬強(qiáng)烈依賴于腔的凈色散。實(shí)驗(yàn)上，當(dāng)腔具有大的凈反常色散時(shí)，它支持不伸展的傳統(tǒng)孤子。當(dāng)腔色散在總長(zhǎng)度保持不變的情況下向零增加時(shí)，帶寬和拉伸比增加。

拉伸脈沖孤子依賴于色散和驅(qū)動(dòng)功率

（a）最寬測(cè)得的光譜與腔的凈基團(tuán)延遲色散的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)激光頻率以黑色繪制。（b）在有（紅線）和沒(méi)有（藍(lán)線）TOD的實(shí)驗(yàn)（點(diǎn)）和模擬中，最寬的光譜帶寬與凈色散的關(guān)系。黑色虛線表示對(duì)應(yīng)于拉伸脈沖孤子的近似最小拉伸比（2）。在灰色陰影區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了更復(fù)雜的行為。（c）測(cè)得的最寬頻譜是驅(qū)動(dòng)功率的函數(shù)。驅(qū)動(dòng)激光頻率以黑色繪制。（d）來(lái)自實(shí)驗(yàn)（點(diǎn)）和相應(yīng)模擬（藍(lán)線）的最寬頻譜帶寬與驅(qū)動(dòng)器功率。

研究人員開(kāi)發(fā)的這樣可產(chǎn)生飛秒脈沖的高級(jí)激光源，其成本更低、更容易使用。該研究團(tuán)隊(duì)為此創(chuàng)立了一個(gè)專門(mén)網(wǎng)站，為所有人發(fā)布設(shè)計(jì)指南，特別為一般大學(xué)的研究小組提供有關(guān)如何設(shè)計(jì)和制造用于基礎(chǔ)研究的飛秒激光器的咨詢。

本文來(lái)源：DOI:10.1103/PhysRevlett . 125.033902