原創(chuàng) 長光所Light中心 中國光學(xué)
撰稿 | 何泊衢 博士（華東師范大學(xué)）
01
導(dǎo)讀
克爾諧振器是一種結(jié)構(gòu)很簡單，卻能產(chǎn)生很復(fù)雜的非線性現(xiàn)象的光學(xué)系統(tǒng)。應(yīng)用前景在于超快飛秒脈沖和光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生，其中光學(xué)頻率梳在精密光譜、頻率合成、精準(zhǔn)測距、阿秒脈沖產(chǎn)生甚至天文光譜校準(zhǔn)方面都有重要的應(yīng)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(guān)研究尚淺，一些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)不如前者，有待科學(xué)工作者去開拓創(chuàng)新，技術(shù)突破。
近日，Physical Review Letters期刊以“Stretched-Pulse Soliton Kerr Resonators”為題報(bào)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(xiàng)工作由美國三大光學(xué)中心之一羅徹斯特大學(xué)（University of Rochester）的光學(xué)研究所教授William H. Renninge團(tuán)隊(duì)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(qiáng)有力的通用激光光源一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)，同時(shí)也與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)。小到手機(jī)logo的激光打標(biāo)，大到5G時(shí)代的光通信，近到鋼材鋼板的激光切割，遠(yuǎn)到北斗上的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(dǎo)體激光器以及光纖激光器等等。眾所周知，新的技術(shù)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。克爾諧振器就是一種產(chǎn)生超快激光的新技術(shù)。
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(guān)系以及時(shí)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(fù)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(shù)，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(xué)的Xue Dong等人進(jìn)行了相關(guān)研究。具體的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。
脈沖在一個(gè)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(dá)到平衡的一個(gè)結(jié)果。對腔內(nèi)色散人為地進(jìn)行管理，當(dāng)腔內(nèi)色散接近零，此時(shí)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(fù)色散的影響會壓縮。在一個(gè)色散精細(xì)設(shè)計(jì)的腔內(nèi)，脈沖在腔內(nèi)運(yùn)行的時(shí)候，會展寬而又壓縮，在一次腔內(nèi)循環(huán)中兩次到達(dá)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明色散管理技術(shù)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(shí)域和頻域進(jìn)行測量，形狀是高斯型，也應(yīng)證了處于展寬脈沖機(jī)制。傅里葉變換受限的脈沖寬度強(qiáng)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(shí)驗(yàn)裝置圖
圖源：Phys. Rev. Lett. 125，033902（2020）（Fig.2）
04
應(yīng)用與展望
受益于光纖優(yōu)秀的熱管理能力、單模運(yùn)行、低波導(dǎo)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(xué)緩存、長距離相互作用、空間時(shí)間不穩(wěn)定性等方面得到技術(shù)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(shù)路線。同時(shí)也給微環(huán)諧振器和體增強(qiáng)諧振腔相關(guān)技術(shù)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(guān)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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