激光器工作原理与孤子特性       论文作者  供图

锁模光纤激光器结构紧凑、稳定性好、光束模式优良、峰值功率高、与其他光纤系统兼容，在高速通信、生物医学、激光加工和精密物理测量等领域得到了广泛的应用。

“通过调控谐振腔的色散和非线性特性，科学家在负色散区和近零色散区分别发现了无啁啾的传统孤子和弱啁啾的色散管理孤子。在正色散区，由于非线性效应的影响，所得自相似脉冲和耗散孤子均具有巨大的啁啾，脉冲宽度为数十至数百皮秒量级。”西北工业大学物理科学与技术学院毛东教授介绍。

因此，在不进行色散补偿或腔外压缩的情况下，直接在正色散光纤激光器中产生近零啁啾脉冲是一个极具挑战的难题。同时，光纤激光器中是否存在第五类锁模脉冲也是该学科需进一步探索的课题。

1月25日出版的《光:科学与应用》（Light: Science & Applications）在线发表了西北工业大学毛东教授、赵建林教授团队与芬兰阿尔托大学孙志培教授、南京邮电大学云灵博士、华南师范大学罗智超教授等合作在新型锁模孤子方面取得的相关研究成果。

据论文第一作者毛东介绍，他们提出了包含色散、非线性和双折射效应的相位匹配理论，通过在正色散光纤激光器中引入保偏光纤，控制脉冲在腔内近似线性传输，从而获得了近零啁啾的锁模孤子。

该研究发现，双折射管理孤子的两正交偏振分量具有不同的中心波长和时域位置。与正色散区中的自相似脉冲和耗散孤子不同，该种孤子具有尖锐的光谱边带。且单个偏振分量的两个边带位置和强度均不对称，其中较强边带对应满足相位匹配的谐振频率，而较弱边带源自其与正交偏振分量的模式耦合。

“具体而言，就是脉冲在腔内传输时，相位匹配效应平衡了非线性效应导致的光谱展宽，而可饱和吸收效应补偿了正色散导致的时域拉伸。脉冲的两正交偏振分量在保偏光纤中以非对称的‘X’形式传播，部分补偿了由波长色散导致的群延迟差，使脉冲实现了稳定的自洽演化。”毛东进一步如是解释。

由于双折射效应在脉冲形成过程中起主导作用，毛东他们将其命名为“双折射管理孤子”。

“需要说明的是，虽然正色散区中双折射管理孤子与负色散区中的传统孤子具有类似的光谱形状和啁啾特性，但二者的形成机制、演化方式完全不同，进一步表明双折射管理孤子是一种全新类型的锁模脉冲。”毛东补充说。

超快激光相关领域专家认为，该研究结果证明光纤激光器中存在第五类锁模脉冲，拓展了孤子锁模的基本理论并可推动其工程应用。

论文相关信息： https://www.nature.com/articles/s41377-022-00713-y