多模光纤激光器中的时空模式锁定和耗散孤子

图 1. a, SMF 激光器和 MMF 激光器中耗散孤子形成的示意图。b, 典型 STML MMF 激光器布局示意图。资料来源：Light：科学与应用》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41377-023-01305-0

时空锁相模式（STML）的诞生可以追溯到 2017 年赖特及其同事的报告。在这一突破之后，有关 STML 的研究蓬勃发展。然而，我们对多模光纤（MMF）激光器中的时空耗散孤子（STDS）和 STML 的理解和控制还不如单模光纤激光器成熟。

一些关键挑战包括在 MMF 激光器中实现超高脉冲能量和任意模式剖面，以及完善时空表征技术。应对这些挑战将开启 MMF 激光器的多种应用。

最近，一篇题为 "Spatiotemporal mode-locking and dissipative solitons in multimode fiber lasers "的综述文章发表在《Light：科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表了一篇题为 "多模光纤激光器中的时空锁模与耗散孤子 "的综述文章。这篇综述总结了多模光纤激光器中 STML 和 STDS 的研究进展，并概述了可能为 STML 激光器带来突破的几个前景。

平衡模式间色散和同步模式分辨脉冲是 STML 的先决条件。根据模式间色散的大小，有三种主导机制有助于平衡模式间色散并控制 STML：克尔非线性主导机制、时空可饱和吸收主导机制和空间耦合主导机制（图 1b）。

对于三维脉冲来说，每种机制都表现出不同的动态特性。这些 STDS 与具有固定脉冲形状的传统 STDS 不同，因为复杂的时空耦合性质会影响其时间、光谱和空间特性（图 1c）。
 

图 2 用于表征 STDS 的拟议系统。资料来源：Light：科学与应用》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41377-023-01305-0

多维测量技术和非线性动力学

测量对于了解 STDS 行为至关重要。目前，光谱滤波和空间采样难以捕捉 STDS 的全部动态，阻碍了我们控制 STML 激光器的能力。实时、多维光场测量对于掌握时空动态至关重要。

将多模色散傅立叶变换、时间透镜、模式分解和定时抖动测量等技术结合在一起，可能会成为表征 STDS 时空动态的强大系统（图 2）。有了 STDS 在空间、时间和频谱维度上的全面表征，就能捕捉到更奇特的非线性动态，并揭示 STML 动态。

图 3. a, STML 激光器中的多模非线性频率转换。b, 多模增益工程。c, 多模频率梳。d, 腔内控制和多核 STML 激光器。资料来源：Light：科学与应用》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41377-023-01305-0

模式场控制和波前整形应用广泛。然而，在多模激光器中定制模式组件仍然具有挑战性。光束自清洁或引入空间光调制器可实现 STML 激光器的模式场控制。利用用户定义的模式轮廓获得高脉冲能量，可以为包括非线性显微镜在内的许多激动人心的应用打开大门。此外，空间相干性还可为应用（如混沌激光雷达）增添新的可能性，因为在这些应用中，低相干性是一个优势。

文章的这一部分涉及时空模式锁定激光器（图 3）的应用和新技术途径。主题包括多模光学频率梳、多模激光器的波分复用、多模超连续、锁模单腔双/多梳和相干泵浦多模激光器的产生。这些进展将把我们在松散约束、多模、非线性、超快系统中控制光子的能力推向一个新的高度。

参考资料

Bo Cao et al, Spatiotemporal mode-locking and dissipative solitons in multimode fiber lasers, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01305-0

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