光纤激光器中四色暗-亮脉冲捕获现象的研究:光场调控新机制的实验揭示
一、研究背景与核心发现
在光通信及激光物理的前沿领域,光纤激光器的脉冲调控机制一直是学术界关注的焦点。亮脉冲与暗脉冲作为脉冲光纤激光器的两种基础工作状态,其物理特性差异显著:亮脉冲表现为光强高于连续波背景的峰值结构,而暗脉冲则呈现为光强低于背景的凹陷状态。相较于已被广泛研究的亮脉冲,暗脉冲因具备抗干扰能力强、传输过程中自愈合特性显著等优势,在长距离光通信、精密光学测量等领域展现出独特的应用潜力。
西北工业大学物理科学与技术学院曾超副教授团队近期在《OpticsExpress》(Vol.33,No.4,2025)发表重要研究成果,首次通过实验在掺铒光纤激光器中观测到四色暗-亮脉冲捕获现象。研究表明,四种不同波长的亮脉冲与暗脉冲在激光腔内通过非线性相互作用,可自发简并为具有典型双色特征的暗-亮脉冲对;同时,在频域内呈现出可切换的镜像对称特性(亮-暗-暗-亮或暗-亮-亮-暗状态)。这一发现突破了传统多色脉冲模式的认知边界,为光场自组装机制的研究提供了全新的实验证据。
二、实验设计与关键技术
研究团队构建了基于ITO-D形光纤可饱和吸收体的被动锁模掺铒光纤激光系统。实验装置由3.8米掺铒光纤(群速度色散为-18.5ps·nm⁻¹·km⁻¹)与15米单模光纤(色散为17ps·nm⁻¹·km⁻¹)组成,系统净腔色散为-0.24ps²。通过磁控溅射工艺,在色散位移光纤表面沉积厚度为68.7nm的氧化铟锡(ITO)薄膜,制备出高性能可饱和吸收体。该器件具有3.0%的调制深度、83.5%的非饱和吸收损耗及7.27MW/cm²的饱和峰值功率密度,兼具低饱和强度与高脉冲损伤阈值特性,能够有效启动锁模过程并增强交叉相位调制(XPM)效应。
腔内配置偏振不敏感隔离器以确保单向运转,并通过光纤偏振控制器优化锁模状态。实验采用波分复用器实现976nm激光二极管对掺铒光纤的泵浦,利用20:80光耦合器完成腔内激光的提取与测量。观测到的四个光谱峰分别位于1570.91nm、1571.95nm、1591.25nm和1592.35nm,呈现典型的双M型光谱特征,表明不同波段脉冲通过XPM效应实现了时域捕获与简并。
三、现象解析与物理机制
1.时域简并特性与频域镜像对称性
四色脉冲在时域中通过非线性相互作用实现相互捕获,最终退化为单一暗-亮脉冲对,其94ns的脉冲间隔与激光腔往返时间一致,暗脉冲与亮脉冲的宽度分别为4.1ns和5.5ns。在频域内,两波段脉冲状态呈现严格的镜像对称性:同一波段内相邻波长的脉冲状态相反(亮-暗或暗-亮),而两波段之间形成整体对称结构(亮-暗-暗-亮↔暗-亮-亮-暗)。通过腔内偏振控制器可实时切换对称状态,揭示了脉冲颜色与状态之间的强关联性。
2.交叉相位调制的主导作用机制
实验结果表明,带内(同波段不同波长)与带间(不同波段)的暗-亮脉冲通过交叉相位调制产生相位耦合,有效克服了腔色散导致的约11.3ps/腔往返的时间走离效应,形成稳定的脉冲束缚态。此外,正交偏振分量间的XPM效应促使偏振畴壁脉冲的产生,表现为两偏振态的脉冲状态完全相反,进一步验证了多维度非线性相互作用的协同机制。该过程符合耦合高阶非线性薛定谔方程的理论预测,表明XPM效应是驱动多色脉冲自组装的核心物理机制。
四、科学意义与应用前景
本研究首次在实验上证实了多色暗-亮脉冲通过交叉相位调制自组装为简单脉冲对的可行性,拓展了光纤激光器中脉冲模式的物理内涵。相较于传统双色脉冲系统,四色体系展现出更丰富的状态切换能力与结构稳定性,为光通信中的多信道信号编码、光学信息处理中的复杂光场生成提供了全新的技术路径。此外,ITO-D形光纤可饱和吸收体的低功耗特性与高兼容性,为集成化多色激光器的工程化研发奠定了重要基础。
未来研究中,通过精准调控腔内色散、偏振态及滤波特性,有望实现五色及以上脉冲系统的稳定输出,推动光场时空调控技术向更高维度发展。该成果不仅深化了对非线性光学中多色脉冲相互作用的理论认知,也为新型激光器件的设计提供了关键的实验支撑与研究范式,在光通信、光学精密测量等领域具有重要的科学价值与应用潜力。
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