学术研究报告：自启动可切换多功能孤子光纤激光器的研究

作者及发表信息
本研究由哈尔滨工程大学的Renlai Zhou领衔，合作者包括哈尔滨工程大学的Hui Hu、Bo Guo，北京大学的Qian Li，清华大学的Hong Yan Fu，以及英国阿伯丁大学的K. Nakkeeran。论文于2022年1月30日发表在期刊《Advanced Photonics Research》上，题为“Self-Starting Switchable Multifunctional Solitons Fiber Laser”。

学术背景与研究动机
超短脉冲激光因高峰值功率、低热效应和高传输效率等特点，广泛应用于材料加工、光通信、微波光子学、生物医学成像和光谱学等领域。被动锁模光纤激光器能够产生皮秒（ps）至飞秒（fs）量级的不同形状和持续时间的光脉冲，已成为超短脉冲生成和孤子动力学研究的重要工具。然而，传统单腔光纤激光系统受限于腔内的色散、非线性、滤波、偏振、增益和损耗等复杂动力学特性，难以实现多状态孤子的可控切换。因此，本研究旨在开发一种紧凑型多功能孤子光纤激光器，通过3D操控偏振分束器（Polarization Beam Splitter, PBS）选择不同偏振状态，实现多种锁模操作的灵活切换，以满足成像、微加工和传感等领域对可调谐光源的需求。

研究流程与实验方法
1. 激光器设计与搭建
- 实验装置：激光器采用非线性偏振演化（Nonlinear Polarization Evolution, NPE）锁模机制，以掺铒光纤（EDF）作为增益介质，由976 nm激光二极管泵浦。腔内总长度为11.64米，净腔色散为+0.338 ps²，工作于反常色散区域。
- 关键创新：用单个PBS替代传统的半波片（HWP）和四分之一波片（QWP），通过3D精密调节支架控制PBS的角度（精度 μm），结合在线偏振控制器（PC）优化锁模稳定性。

1. 多状态孤子生成与切换

   • 传统孤子（CS）：PBS角度调至2.6°时，激光器自启动阈值功率为180 mW，可生成脉宽557.2 fs的孤子脉冲，光谱带宽6.733 nm，边带不对称性由孤子拉曼自频移和双折射滤波效应共同导致。
     
   • 准相干噪声脉冲（QC-NLPs）：PBS角度调至3.2°时，产生脉宽508 fs的QC-NLPs，其特点是窄相干峰叠加在宽 pedestal 上（强度比12:1），光谱中保留凯利边带（Kelly sidebands），首次证明了NLPs的高一阶相位相干性。
     
   • 混合双波长锁模：PBS角度调至6.2°时，在1535.652 nm（CS）和1564.47 nm（QC-NLPs）两波长下实现稳定锁模，脉冲重复频率差异1.0588 kHz，由腔内群延迟差异导致。实验验证了三种混合状态（双CS、CS+QC-NLP、双QC-NLPs）的可逆切换。
     

2. 谐波锁模（HML）操作

   • 通过调节PBS至8.2°并提高泵浦功率，实现最高46次谐波（807.668 MHz）锁模，脉冲宽度894.1 fs，且谐波阶数随泵浦功率呈阶梯式跃迁，表现出多稳态迟滞特性。
     

主要研究结果
1. 单波长锁模特性
- CS和QC-NLPs的切换可通过PBS角度或泵浦功率调控，其中QC-NLPs在540 mW泵浦下实现单脉冲能量3.37 nJ，为已知同类器件的最高值。
- 双折射滤波效应导致光谱边带不对称性，理论模型（公式1）揭示了偏振角度θ₁和θ₂对透射波长峰值的调制作用。

1. 双波长锁模的稳定性

   • 混合双波长模式在150分钟长期观测中表现出优异的稳定性，重复频率差异波动仅0.066%（RMS），为波长分复用（WDM）系统提供了潜在应用基础。
     

2. 谐波锁模的能级特性

   • HML单脉冲能量随谐波阶数增加呈锯齿状下降（79.96 pJ→29.37 pJ），表明非线性腔的饱和效应。
     

研究结论与价值
本研究首次在单腔光纤激光器中实现了CS、QC-NLPs、双波长锁模和谐波锁模的全功能可逆切换，其核心创新在于通过PBS的3D操控简化了传统NPE激光器的偏振调节结构。科学价值上，该工作为孤子动力学研究提供了新工具；应用价值上，可服务于光信号处理、微加工和多参数传感等领域。例如，混合双波长模式可用于多通道通信，而高重复频率HML适用于高速采样。

研究亮点
1. 多功能集成：单一激光器实现四种锁模状态，且切换无需重构腔结构。
2. 高稳定性：QC-NLPs的一阶相干性达0.408，双波长模式长期功率波动<0.1%。
3. 首创性发现：首次报道了CS与QC-NLPs的混合双波长锁模，并揭示了其形成机制。
4. 技术简化：用PBS取代多块波片，降低了系统复杂度，提升了工程实用性。

其他价值
实验开发的精密PBS调节装置（灵敏度 μm）和理论模型（公式1）可为后续偏振相关研究提供参考。此外，研究中观察到的谐波锁模迟滞现象为非线性腔动力学提供了新案例。