掺铥光纤激光器能否实现亮暗脉冲对的协同调控？—基于被动锁模机制的实验探索与应用价值分析

    在超快光子学与非线性光学领域，锁模光纤激光器的孤子调控技术始终是国际学术研究的前沿课题。传统理论体系中，亮孤子与暗孤子作为两类基本孤子形态，其协同传输机制长期以来受制于腔结构设计与非线性效应耦合效率的瓶颈。近期，郑州轻工业大学与上海交通大学联合研究团队在《IEEE Photonics Technology Letters》发表的创新性成果，首次在掺铥光纤被动锁模体系中实现双波长亮暗孤子对的稳定输出，通过实验验证了交叉相位调制效应驱动的孤子协同机制，为高功率光纤激光系统的发展提供了全新技术路径。

    研究背景与理论框架
    锁模光纤激光器的孤子动力学研究已形成完整理论体系：亮孤子表现为强光脉冲在弱背景中的传输，暗孤子则呈现为连续波背景下的强度凹陷结构。根据耦合高阶非线性薛定谔方程的理论解，孤子间相互作用可衍生出亮亮、暗暗及亮暗等复合孤子态，其中亮暗孤子对因兼具亮孤子的高能量特性与暗孤子的低损耗稳定性，在长距离光通信、超快光谱探测等领域展现出独特应用潜力。
    既往研究中，科研团队通过石墨烯、拓扑绝缘体等可饱和吸收体（SA）在掺铒光纤体系中实现亮暗孤子对生成，但基于掺铥光纤（TDF）的同类研究存在技术空白。掺铥光纤在1.5μm波段具备低传输损耗（<0.2dB/km）、高非线性系数（2.3W⁻¹·km⁻¹）及宽增益带宽（15001600nm）等物理优势，但其作为锁模元件时能否支持亮暗孤子对的协同演化，尚未有系统性实验验证。

    实验架构与核心发现
    研究团队构建全光纤环形腔实验系统，其核心组成为：980nm激光二极管（最大泵浦功率600mW）、2.5m掺铒光纤（增益介质，980nm芯层吸收系数14.2dB/m）、9.2cm掺铥光纤（SA，数值孔径0.15）、偏振控制器（PC）及偏振无关型光隔离器（PIISO）。腔长9.86m，综合色散计算表明净腔色散为0.116ps²，处于反常色散区域。
    实验数据显示，当泵浦功率超过150mW时，通过PC精确调控偏振态可诱发亮暗孤子对锁模。在200mW泵浦功率下，光谱呈现典型M型双波长分布，亮孤子与暗孤子中心波长分别为1570.98nm与1572.41nm（波长间隔1.43nm），且未观测到Kelly边带，印证了腔内双折射与偏振滤波的协同光谱整形效应。时域测量表明，脉冲序列重复频率20.56MHz，与腔长理论值严格吻合；单个亮暗孤子对的脉宽分别为6.5ns与3.6ns，强度分布呈现非对称耦合特征，证实了交叉相位调制（XPM）诱导的孤子相互支撑机制。
    泵浦功率扫描实验表明，双波长脉冲运转在150500mW范围内保持稳定。当泵浦功率达500mW时，系统输出平均功率58.38mW，对应脉冲能量2.84nJ，斜率效率11.8%，较传统可饱和吸收体方案提升30%以上。对比实验证实，移除掺铥光纤后无法观测到孤子对信号，明确了TDF作为锁模核心元件的决定性作用。

    偏振调控机制与动力学分析
    偏振态对孤子对的形态演化展现出显著调控效应：当PC处于状态1时，亮暗孤子呈现强度均衡的纠缠态；调节至状态2时，孤子对相互作用减弱，形成近似h形脉冲轮廓；进一步调至状态3时，系统切换为纯暗孤子模式，其强度波动范围缩小40%，验证了腔内双折射与非线性效应的耦合调控机制。
    理论分析表明，亮暗孤子对的协同传输本质上是不同波段光场交叉相位调制的结果。亮孤子（1570.98nm）与暗孤子（1572.41nm）在掺铥光纤中传输时，非线性折射率变化引发的相位耦合效应（Δφ=n₂·P·L/λ）形成动态平衡，使得两类孤子能够在同一腔内实现能量交换与形态维持。掺铥光纤的高非线性系数（n₂=2.6×10⁻²⁰m²/W）为该过程提供了关键物理基础。

    技术突破与应用前景
    该研究在以下维度实现重要突破：
    性能指标：2.84nJ脉冲能量创同类器件新高，全光纤结构满足工程化应用的可靠性要求；
    理论拓展：建立掺铥光纤中亮暗孤子对的耦合传输模型，完善了非线性薛定谔方程的实验解体系；
    应用潜力：双波长孤子对在相干光通信（波长divisionmultiplexing）、差分泵浦探测（timeresolvedspectroscopy）等领域具有独特优势，其正交偏振特性可支持高速偏振复用系统构建。
    未来研究可聚焦于：通过色散管理优化压缩脉冲宽度至皮秒量级，探索多波长孤子对的级联生成机制，以及开发基于该技术的生物医学成像光源（如双光子显微镜泵浦源）。这项研究不仅突破了掺铥光纤锁模技术的应用边界，更为非线性光学与光纤通信的交叉研究提供了全新实验范式，其技术转化前景值得持续关注。