罗切斯特大学研究人员发现新啁啾脉冲

江苏激光联盟导读：

光纤和锁模激光器等光学系统相对简单，在技术上很重要，并且在我们理解孤子丰富的非线性动力学方面继续发挥着重要作用。在该研究中，来自罗切斯特大学的研究人员提出了一类新的光学孤子的理论和实验观察，其特征是在具有强光谱滤波的正常色散谐振器中具有大的正啁啾脉冲。该研究成果发表在Optica上。

光谐振器中的孤子与光纤和锁模激光器中的孤子密切相关，其中克尔光学非线性与异常群延迟色散 (group-delay dispersion, GDD) 平衡，以实现波包的不变传播。耗散通常被设计得很小（在微谐振器中约为1%），在脉冲形成中的作用相对较小，并且可以通过忽略耗散来预测关键脉冲参数。然而，在具有正常色散和光谱滤波器的锁模激光腔中，可以产生一类独特的频率啁啾孤子，其中耗散对于脉冲形成至关重要。除了激发对具有强内部能量流的脉冲形成的研究外，激光器中的啁啾脉冲孤子通过将脉冲生成扩展到正常色散系统，使脉冲能量增加几个数量级并简化放大器设计，从而使应用受益。如果驱动谐振器系统可以产生啁啾耗散孤子，则有望有机会形成非线性图案并改善与啁啾脉冲激光器相比的性能。然而，将解决方案从锁模激光器转换为克尔谐振器非常重要，这花了三十年时间观察到克尔谐振器中锁模激光器与传统孤子的类比。克尔谐振器由不同的非线性微分方程控制，这些方程支持具有非常不同的内部能量流的孤子。此外，对相关的控制非线性方程建模过滤法向色散克尔谐振器知之甚少。迄今为止，尽管有几项研究探索了异常和正常色散腔，但尚未在克尔谐振器中观察到啁啾耗散孤子。在2014年发表在Phys. Rev. Lett的一篇研究报导中，来自加州大学洛杉矶分校和美国纽约哥伦比亚大学的研究人员对正常色散微谐振器的频率相关损耗进行了检测。虽然观察到的时间特征比变换限制脉冲稍长 (34%)，但测量结果与克尔谐振器中的噪声状态一致，并且驱动功率比阈值功率低几个数量级在本研究中建立了稳定的啁啾耗散孤子。

在本研究中，来自罗切斯特大学的研究人员通过实验和数值观察驱动正常色散光纤腔中的啁啾耗散孤子，具有专门设计的光谱滤波。与传统谐振器孤子形成鲜明对比的是，啁啾孤子在没有损耗的情况下是不稳定的，并且在谐振器中稳定，每次往返耗散大于50%。数值模拟揭示了稳定明亮的光脉冲，其啁啾对应于腔线性色散的两倍以上，并且可能比传统孤子支持的能量高一个数量级以上。在用纳秒脉冲驱动的长正常色散光纤腔的实验中观察到啁啾孤子，与预测一致。在存在如此强耗散的情况下形成稳定的啁啾脉冲为实现高能量耗散孤子共振和无源谐振器中的奇异非线性行为（例如耗散孤子爆炸）铺平了道路。

图1. 啁啾耗散孤子产生的腔设计和数值结果。

▲图解：(a) 在驱动谐振器中观察啁啾脉冲的关键组件的图示，包括正常色散波导、损耗、驱动器和光谱滤波器。(b) 作为腔内驱动功率和全正常色散腔失谐的函数的收敛解。彩色图表示稳定波形上突出峰值的数量。具体解决方案用罗马数字表示。(i), (ii) 在明确定义的参数空间区域（粉红色轮廓）中观察到啁啾脉冲，以及 (iii) 暗脉冲，(iv) 开关波，以及 (v), (vi) 观察到图灵波别处。(c) 观察啁啾孤子（橙色）所需的最小腔长取决于阈值功率（红色）的降低和可用峰值驱动功率（黄色）随长度的增加而增加。(d) 作为腔内驱动功率和失谐的函数的收敛解与实验开发的具有大净法向色散的腔 (b) 相当。

图2. 驱动光腔中啁啾耗散孤子的特性。

▲图解：(a). 后续往返之间的脉冲能量差ΔE的数值收敛到一个稳定的数值有限的稳态值。(b). 脉冲和峰值强度的变化作为腔后应用的群延迟色散 (GDD) 的函数，表明连续压缩具有异常色散，最大值为 GDD=-1ps²。(c). 来自 (b) 的啁啾腔输出（黑色）和去啁啾（蓝色）脉冲。(d). 稳态啁啾耗散孤子带宽 [半高全宽 (FWHM)]、时间宽度 (FWHM)、啁啾（由最大化脉冲强度所需的 GDD 定义，符号相反）的演变，和腔内的脉冲强度。在腔的每个位置对脉冲进行去啁啾之后的脉冲的 FWHM 以蓝色绘制。来自腔中指定位置的相关脉冲强度、瞬时频率、功率谱和群延迟绘制在右侧。瞬时频率的正斜率 和谱群延迟的负斜率对应于孤子啁啾。

光谱带宽、时间持续时间和啁啾幅度在腔中非线性演变。在正常色散波导中，由于克尔自相位调制，光谱经历净展宽。时间宽度增加主要是由于正常色散波导中的色散传播。频谱滤波器降低了频谱带宽，当脉冲前沿和后沿的高频和低频衰减时，脉冲持续时间也会缩短。脉冲在腔体中的每一点都有很强的啁啾声。这也可以从图2右侧瞬时频率的正斜率看出。耗散驱动和损耗对脉冲、频谱和啁啾的影响可以忽略不计。总体而言，物理效应的定性平衡类似于啁啾脉冲锁模激光器，其中脉冲和光谱展宽也被光谱滤波抵消 。然而，研究人员注意到连续波背景（锁模激光器中不存在）与啁啾脉冲具有时间相关的相位关系，这导致时域中的振荡结构可能使演化的解释复杂化。在这种情况下，尽管在一次往返中总共有 69.5% 的损耗，但啁啾耗散孤子是稳定的，这在很大程度上是由于光谱滤波器。

图3. 啁啾耗散孤子的实验示意图和观察结果。

▲图解：(a) 描述调制和放大驱动、光纤腔、驱动反馈回路和诊断的实验示意图。时间波形强度以绿色表示。实验观察到的 (b) 脉冲序列、(c) 频谱、(d) 腔共振，入射平均功率为 0.9 W，以及 (e)、(f) 自相关测量。在窄带通滤波器之后测量共振扫描，在相应的窄带陷波滤波器之后测量频谱、脉冲序列和自相关。自相关是在放大后作为 GDD 的函数测量的，光栅对压缩器的时间脉冲宽度绘制在 (f) 中。实验数据右上角的彩色三角形表示用于获取它的设备的位置和类型，原理图中的匹配三角形表示。对于蓝色的 (g) 光谱、(h) 共振扫描和 (i)、(j) 自相关测量，绘制了数值模拟的可比结果。

啁啾耗散孤子实现的更高脉冲能量可以提高微梳应用的分辨率、信噪比和功率。在光纤谐振器中，啁啾耗散孤子提供了在传统光源无法产生的波长下产生超快脉冲的潜力，为包括生物医学成像和光谱学在内的应用提供了补充。

啁啾耗散孤子代表了驱动谐振器中一类新的稳定非线性波形，为频率梳和超短脉冲生成及相关应用的非线性模式形成和增强的性能机制提供了机会。本研究特别关注光纤谐振器，但结果是通用的，可以应用于任何使用等式给出的标度定律的无源谐振器平台。(1).啁啾耗散孤子能够增强微梳器件的性能，并能够在光纤中以传统锁模激光器无法达到的波长产生飞秒脉冲。对于体增强腔，啁啾耗散孤子可以增强高能级下高次谐波产生和脉冲压缩的性能。最后，在存在大耗散的情况下稳定耗散孤子的形成激发了定性新现象的研究，包括简单无源谐振器中的耗散孤子共振和腔内孤子爆炸。

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！原文以"Chirped dissipative solitons in driven optical resonators"发表在Optica (2021)上。