高能量1.96–2.4 µm可调谐拉曼孤子在全硅光纤掺铥放大器中的产生

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Pingxue Li（李平雪），研究团队来自北京工业大学材料与制造学部。研究成果发表于*IEEE Photonics Technology Letters*期刊2023年4月1日第35卷第7期。

学术背景
研究领域为非线性光纤光学与中红外超快激光技术。2–2.4 µm波段飞秒脉冲在双光子荧光成像、分子光谱学和材料加工等领域具有重要应用价值。然而，传统单模硅光纤中长波长孤子能量受限于光纤损耗和孤子阶数（soliton order）。此前报道的2 µm波段孤子最高能量为38 nJ（2013年），波长调谐范围与能量提升存在矛盾。本研究旨在通过优化掺铥光纤放大器（Thulium-Doped Fiber Amplifier, TDFA）结构，结合孤子自频移（Soliton Self-Frequency Shifting, SSFS）和增益调控，实现高能量（>60 nJ）、宽调谐（1.96–2.39 µm）的拉曼孤子输出。

研究流程与方法
1. 实验系统设计
- 种子光源：采用自制的锁模光纤振荡器产生1.96 µm飞秒种子脉冲（脉宽372 fs，重复频率47.74 MHz，能量0.3 nJ），经预放大（Pre-Amplifier）提升至6.4 nJ。
- 两级TDFA结构：
- 预放大级：使用5米长掺铥光纤（Tm-Doped Fiber, TDF），配合30米超高数值孔径光纤（Ultra-High NA Fiber, UHNA）进行色散管理，避免光谱窄化。
- 末级放大：采用2.6米高浓度掺铥光纤（Highly-TDF, H-TDF），通过缩短光纤长度减少损耗，同时利用其高增益特性促进SSFS过程。
- 泵浦与冷却：末级放大器使用20 W的793 nm激光二极管泵浦，并采用热电制冷（-1°C）以抑制热效应。

1. 孤子能量增强机制

   • 孤子阶数调控：通过理论模拟（广义非线性薛定谔方程，GNLSE）证明，孤子能量与阶数平方成正比（E_s = n² × E_f）。实验中通过优化色散和泵浦功率，将孤子阶数控制在n≈2.65，使能量提升至65.1 nJ（2.39 µm）。
     
   • 增益与频移协同：TDFA同时作为拉曼频移器和放大器，残余泵浦持续为频移后的孤子提供增益，抵消光纤损耗。
     

2. 关键实验与表征

   • 光谱与能量测量：使用光栅光谱仪记录输出光谱，通过积分计算孤子能量。
     
   • 脉冲特性分析：自相关仪测得脉宽107 fs（对应n=2.78），与理论预测一致。
     
   • 数值模拟：基于GNLSE模拟脉冲在H-TDF中的演化，验证了孤子分裂（soliton splitting）和能量转移过程。
     

主要结果
1. 波长调谐与能量输出
- 在20 W泵浦下，孤子波长从1.96 µm连续调谐至2.39 µm（调谐范围425 nm），创下单模硅光纤中长波长孤子能量纪录（65.1 nJ）。
- 2.1–2.39 µm范围内孤子能量均超过35 nJ，较此前研究提升4.5倍。

1. 能量增强机制验证
   
   • 实验数据与n=2.65的理论曲线吻合（图4），证实高阶孤子对能量的显著贡献。
     
   • 模拟显示，孤子在脱离Tm增益带宽后仍通过拉曼效应获得能量（图7），为未来中红外脉冲设计提供新思路。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次在商用单模硅光纤中实现2.39 µm高能量孤子，突破了硅光纤传输窗口的波长限制。
- 提出“增益辅助频移”策略，为长波长超快光源开发提供新范式。

1. 应用前景
   
   • 适用于大气传感（CO、CH₄检测）、微创手术和非线性光学泵浦源。
     
   • 系统全光纤化设计增强环境适应性，适合户外应用。
     

研究亮点
1. 技术创新
- 通过精确控制孤子阶数实现能量二次方增长，理论模拟与实验高度一致。
- 采用短长度H-TDF平衡增益与损耗，优化SSFS效率。

1. 突破性成果
   
   • 65.1 nJ的2.39 µm孤子为目前公开报道的最高能量纪录，波长调谐范围覆盖重要分子吸收带。
     

其他发现
模拟中观察到孤子分裂后第二孤子的形成（图7b），未来可探索级联SSFS系统以扩展波长覆盖范围。

参考文献
研究引用了包括*Optics Letters*、*IEEE Journal of Quantum Electronics*等权威期刊的12篇文献，涵盖孤子理论、Tm光纤放大器和SSFS技术进展。