三维孤子表征难题获突破：时空色散傅里叶变换技术为锁模激光器研究开辟新路径

    在激光技术领域，高功率、高稳定性超快光源的研发始终是科研与工业应用的核心目标。时空锁模光纤激光器因在提升脉冲能量、探索多维非线性动力学方面具备独特潜力，已成为近年来激光物理与光学工程领域的研究热点；而其中由横模与纵模同时锁定形成的“三维孤子”，更被视为突破传统单模激光器性能瓶颈的核心研究对象。然而，长期以来，科研界始终面临一项关键难题——如何实现对三维孤子内部单个模式光谱特性的精准、实时表征。近日，华南师范大学、北京邮电大学与暨南大学的联合研究团队提出“时空色散傅里叶变换技术”，成功解决这一难题，相关成果已发表于国际权威期刊《Laser&PhotonicsReviews》，为时空锁模光纤激光器的基础研究与应用开发提供了全新技术支撑。

    一、三维孤子表征的传统局限与技术挑战
    三维孤子的模态特性直接决定时空锁模光纤激光器的输出性能，但其表征长期受限于测量技术与设备性能，传统方法存在显著不足，主要可分为两类：
    1.空间采样技术的固有缺陷
    空间采样技术通过单模光纤探针实现光场空间采样，虽能初步证实多横模的锁定状态，并揭示三维孤子横截面不同位置光场的频率组成与功率分布差异，但无法实现对单个模式独立光谱特性的区分。其核心局限在于：采样过程需借助分光器进行多点同步采样，通道数量受系统复杂度与成本限制；即便通过多散斑光谱时间技术以时分复用方式增加采样通道，所得信号仍为多模混合态，模式组成、相对功率比及各模式频率分布等关键信息会丢失，难以满足精准表征需求。
    2.时空重构技术的应用限制
    时空重构技术（如延迟扫描离轴数字全息法）虽能实现单模表征，获取三维孤子的模式组成与相对功率比，但测量过程复杂且无法实时观测；其他衍生技术（如基于迈克耳孙干涉仪的全电场重建技术、压缩超快光谱–时间摄影技术等）虽在理论上可用于单模分析，却依赖复杂算法重构，且对波长敏感，仅适用于窄谱三维孤子，同时存在低重复频率适配性差、长时间动态监测困难等问题。
    上述技术局限导致科研界难以深入解析三维孤子的形成机制，无法明确“三维孤子能量未显著高于单模孤子”的核心原因，也制约了对模式调控与激光性能优化的探索，亟需一种简单、实时、波长不敏感的单模分辨技术。

    二、时空色散傅里叶变换技术的原理与实验设计
    联合研究团队的核心创新在于巧妙结合“模式色散”与“色度色散”的协同作用，构建时空色散傅里叶变换技术，实现三维孤子单个模式的高效表征。
    1.技术核心原理：双色散协同的单模分辨机制
    该技术通过两种色散的分步作用，实现“模式分离”与“光谱解码”的一体化：
    模式色散主导的模式分离：选用15km长的双模光纤（在1.0μm波段支持LP₀₁基模与LP₁₁一阶横模）作为色散介质。当三维孤子在其中传播时，不同模式因模式色散产生时间差，随传播距离增加逐渐分离为互不重叠的模式脉冲，完成“多模→单模”的空间维度分离。
    色度色散主导的光谱映射：在模式分离基础上，色度色散使每个模式脉冲内的不同频率分量在时间轴上展开，实现“光谱→时间域”的映射。搭配12GHz带宽的高速光电探测器与示波器，可直接捕捉每个模式的实时光谱，无需复杂算法重构，单次测量即可获取单模完整光谱信息。
    该技术兼具模式分离的精准性与光谱观测的实时性，且对波长不敏感，可适配宽谱三维孤子，有效弥补传统技术的缺陷。
    2.实验系统设计：双系统协同的全面表征
    为确保测量的完整性与准确性，团队设计两套并行系统，实现“整体特性观测”与“单模精细分析”的协同：
    常规测量系统：由光谱分析仪、示波器、射频频谱分析仪、自相关仪及CCD组成，用于获取三维孤子的时域波形、频域光谱、脉冲宽度及光斑形貌，为单模分析提供整体特性参考。
    单模分辨系统：以15km双模光纤为核心色散介质，通过50:50光耦合器（OC3）分光，分别接入两个高速光电探测器（PD1、PD2），同步测量脉冲列时域信号与各模式实时光谱，可追踪孤子在激光腔内连续7个往返的模态演化，实现动态监测。

    三、三维孤子模态特性的实验发现
    借助时空色散傅里叶变换技术，团队对三维单孤子、多孤子及谐波孤子的模态特性展开系统研究，获得多项突破性结论：
    1.单孤子的模式波长特性：效应平衡的直观体现
    实验发现，单孤子中LP₀₁与LP₁₁模式的峰值波长呈现两种状态，直接反映系统内多效应的平衡关系：
    波长一致状态：当模式色散、非线性、可饱和吸收与空间滤波效应完全抵消时，无需额外色度色散即可实现稳定时空锁模，两种模式的峰值波长重叠。例如，中心波长为1050.43nm的单孤子中，LP₀₁与LP₁₁模式经15km双模光纤传播后，走离为43.67ns，且峰值波长完全一致，对应LP₀₁与LP₁₁模式峰值功率分别为5.03W与0.49W。
    波长差异状态：若上述效应无法相互平衡，系统需通过调整模式峰值波长引入额外色散辅助锁模，此时两种模式波长存在差异。例如，泵浦功率为1.40W时，某单孤子LP₀₁模式峰值波长长于LP₁₁模式，差值约0.43nm，二者走离为39.56ns，峰值功率分别为6.61W与2.11W；实验中亦观测到LP₀₁模式波长短于LP₁₁模式的情况，具体差异方向取决于效应失衡的类型。
    此外，模式走离随孤子中心波长呈规律性变化：当中心波长从1035.74nm增至1053.73nm时，LP₀₁与LP₁₁模式的走离从39.56ns增至44.85ns，直观验证了模式色散的波长依赖性。
    2.多孤子与谐波孤子的模态特性：一致性规律
    无论是由两个孤子组成的“双孤子”，还是等间隔排列的“二次谐波孤子”（重复率为基波整数倍），均呈现核心规律——不同孤子的相同模式，峰值波长完全一致：
    双孤子案例：调整偏振控制器获得的双孤子中，脉冲1与脉冲2的LP₀₁模式峰值波长相同，LP₁₁模式亦是如此；即便单个孤子内部两种模式存在波长差异（如差值0.18nm），不同孤子间的对应模式波长仍保持同步，且二者LP₀₁模式峰值功率分别为4.73W与4.78W，LP₁₁模式分别为0.52W与0.49W，功率比例高度一致。
    二次谐波孤子案例：通过调控泵浦功率与偏振控制器实现的24.75ns等间隔二次谐波孤子中，脉冲1与脉冲2的LP₀₁模式走离均为40.39ns，相同模式的峰值波长完全一致，且单个孤子内模式波长差异（约0.18nm）在不同孤子间保持统一。
    这一规律表明，三维多孤子与谐波孤子极可能通过“脉冲分裂”机制形成——类似单模激光器中孤子因能量量子化分裂为多个相同孤子，三维多孤子由“母孤子”分裂产生，故继承相同的模态特征。
    3.模式功率分布：基模的主导性
    所有实验样本中，LP₀₁基模的峰值功率均显著高于LP₁₁模式：单孤子中LP₀₁功率为LP₁₁的36倍，双孤子与谐波孤子中该比例约为810倍。这一现象源于时空锁模激光器的固有特性——增益光纤对LP₀₁模式的增益更高，且腔内空间滤波效应进一步强化基模的传输优势，而非技术系统的测量偏差。

    四、技术价值与未来展望
    时空色散傅里叶变换技术的提出，不仅解决了三维孤子单模表征的核心难题，更在基础研究与应用开发层面具备重要价值：
    1.技术优势：相较于传统方法的突破
    该技术具有三大核心优势：一是操作简便性，无需复杂空间扫描或算法重构，仅通过双模光纤与常规光电设备即可实现；二是实时动态性，可追踪孤子在腔内的往返演化，捕捉瞬态模态变化；三是波长普适性，突破窄谱限制，可适配宽谱三维孤子，适用范围更广。
    2.技术拓展方向：从双模到多模的延伸
    团队指出，该技术可进一步推广至支持更多横模的时空锁模激光器：仅需将双模光纤替换为与激光器输出光纤匹配的多模光纤，即可研究多模耦合下的复杂非线性现象（如Kerr效应诱导的光束自清洁、Raman效应导致的模式转换）。针对多模系统中可能出现的模式重叠问题，可结合空间光调制器或模式分解算法，实现更高维度的模式表征，为多模非线性光学研究提供新工具。
    3.应用前景：助力高功率超快光源研发
    在工业加工、光通信、生物成像等领域，高功率超快激光的需求日益迫切。该技术为时空锁模激光器的性能优化提供关键支撑：通过精准调控模式组成与功率比，可突破三维孤子的能量瓶颈，开发更高功率、更稳定的超快光源；同时，其实时诊断能力可用于光通信中模式相关非线性效应的监测与控制，提升通信系统的稳定性与传输效率。

    时空色散傅里叶变换技术的提出与实验验证，为三维孤子的单模表征提供了全新范式，不仅深化了对时空锁模光纤激光器中三维孤子形成机制的理解，更构建起“理论研究技术应用”的关键桥梁。随着该技术在多模系统中的进一步拓展，其有望推动多模锁模激光器的性能突破，为激光技术在高功率、高精度领域的应用开辟新空间，同时为多模非线性光学的基础研究提供更高效的观测手段。