建造飛秒光纖激光器往往使用單模光纖，其較小的芯徑伴隨著很強的非線性，易造成脈沖分裂，因此限制了激光功率的提升。利用折射率漸變多模光纖（GRIN MMF）的時空鎖模，在理論上可獲得很高的功率，而且近年來發(fā)現(xiàn)的光束自清潔（Self-cleaning）效應有望改善輸出光束質量。這篇文章報導了具有腔內克爾誘導光束自清潔特性的多模鎖模光纖激光器，可以產(chǎn)生高能量且光束質量良好的飛秒脈沖。
圖1 多模諧振腔模擬系統(tǒng)示意圖
在多模諧振器模擬中， 作者考慮了五個低階模式共存，系統(tǒng)如圖1所示，仿真初始條件為量子噪聲場，脈沖演化過程中的脈寬及譜寬變化如圖2所示。在增益光纖末端可以得到最短的脈沖，脈寬為450 fs，也對應于腔內最高的峰值功率，可以使脈沖在GRIN MMF部分達到克爾誘導光束自清潔的閾值。
圖2 模擬腔中的脈沖演化，脈寬和光譜帶寬隨傳播位置的變化。SA,飽和吸收器;PC,脈沖壓縮
由于摻Yb增益GRIN MMF的生產(chǎn)非常復雜，本實驗中采用商業(yè)化階躍折射率增益MMF。與階躍折射率MMF相比，GRIN MMF段在腔內的模間色散可以忽略。實驗中，該課題組采用非線性偏振演化(NPE) 實現(xiàn)被動鎖模，實驗裝置如圖3所示。二極管泵浦源功率為20W，波長為976nm，通過泵浦合束器與1.3米長的MMF增益光纖熔接。為了激發(fā)GRIN MMF中的高階模，故意在增益光纖與1.4米 GRIN MMF熔接時引入5μm的偏移。
在第一段GRIN MMF之后，光束準直后經(jīng)過一組波片、偏振分束器（PBS）、隔離器、光柵對（600/mm）以及空間過濾器（隨機放置的小孔）。空間過濾器用于限制腔內的模態(tài)，在多模激光腔的實驗中，在沒有模態(tài)濾波的情況下，鎖模在長期運行中會產(chǎn)生振蕩。在上述腔中，隨機放置的針孔能夠確保穩(wěn)定的鎖模。實驗中發(fā)現(xiàn)，對于不同的針孔位置，空間光束的分布保持不變。腔中的光柵對引入較大負色散，導致進入GRIN MMF的脈沖帶有一定的負啁啾，因而脈沖在GRIN MMF及增益MMF中會被壓縮。
圖3 多模克爾誘導自清潔效應諧振腔實驗示意圖
實驗中脈沖由連續(xù)輸出到鎖模輸出演化如圖4所示，可見當被動鎖模發(fā)生后，伴隨著激光腔內形成飛秒脈沖，克爾誘導的自清潔效應極大地提高了光束質量。
圖4 減少腔損耗從連續(xù)波到鎖模狀態(tài)的輸出光束演化（8nJ輸出脈沖能量）
如圖5所示，當泵浦功率為3.5 W時，可以產(chǎn)生20 nJ、3.88ps的脈沖，光譜寬40nm，脈沖在腔外由光柵對可以壓縮到97fs，M2測量平均結果為1.13（M2x=1.08，M2y=1.17）。
圖5輸出能量為20nJ時的輸出光束參數(shù)
該課題組實驗中觀察到M2值隨著脈沖能量的增加而減小，證明腔內確實發(fā)生了克爾誘導的自清潔效應，該實驗開辟了高能量超快光纖激光器的新方向。
參考文獻：
[1] Ugur Tegin, Babak Rahmani, Eirini Kakkava, Demetri Psaltis, and Christophe Moser "Single-mode output by controlling the spatiotemporal nonlinearities in mode-locked femtosecond multimode fiber lasers," Advanced Photonics 2(5), 056005 (16 October 2020).
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