Ein doppelbrechungsgesteuerter Faserlaser mit normaler Dispersion, der energieabstimmbare, chirpfreie Solitonen liefert

In den vergangenen Jahrzehnten haben Forscher herkömmliche Solitonen, gestreckte Pulse, selbstähnliche Pulse und dissipative Solitonen demonstriert, indem sie die Dispersion und Nichtlinearität von Faserlasern verwaltet haben. Neue Arten robuster Pulse wurden jedoch weniger in modengekoppelten Faserlasern entdeckt, da dissipative Solitonen in ~2000er Jahren beschrieben wurden. Andererseits wurden chirpfreie Solitonen in der Vergangenheit nur mit Faserlasern mit anomaler Dispersion erreicht, und die Einzelpulsenergie ist auf eine relativ enge Grenze beschränkt.

Kürzlich schlug ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dong Mao und Jianlin Zhao von der Northwestern Polytechnical University zusammen mit Prof. Zhipei Sun von der Aalto University eine neue Klasse von chirpfreien Pulsen in erbiumdotierten Faserlasern mit normaler Nettodispersion vor . Der doppelbrechungsbezogene Phasenanpassungseffekt dominiert die Bildung des chirpfreien Solitons und wird daher als doppelbrechungsgesteuertes Soliton bezeichnet.

Eine steuerbare harmonische Modenkopplung von der 5. Ordnung bis zur 85. Ordnung kann bei demselben Pumpniveau von ~ 10 mW mit einer Solitonenenergie erreicht werden, die über das Zehnfache hinaus vollständig abstimmbar ist, was auf ein neues doppelbrechungsbezogenes Energiegesetz hinweist, das sich intrinsisch vom Energiesatz von unterscheidet herkömmliche Solitonen.

Für den Normaldispersions-Faserlaser, der einen Abschnitt einer polarisationserhaltenden Faser enthält, tritt eine Modenkopplung zwischen zwei orthogonal polarisierten Komponenten auf, wenn sich der Impuls von einer Einmodenfaser zu einer polarisationserhaltenden Faser ausbreitet. Der Laserbetrieb hängt hauptsächlich vom Polarisationszustand des Pulses in einer Singlemode-Faser ab.

Wenn θ (dh der Winkel zwischen y-polarisierter Komponente und schneller Achse der PMF) ~0 oder ~π/2 ist, emittiert der Laser dissipative Solitonen, während doppelbrechungsgesteuerte Solitonen realisiert werden können, wenn θ zwischen ~π/10 variiert und ~2π/5. Im Vergleich zu dissipativen Solitonen besitzen die doppelbrechungsgesteuerten Solitonen eine kleinere Impulsdauer, Bandbreite und Impulsenergie sowie eine Selbststartschwelle und sind in der Lage, sich selbst in harmonische modengekoppelte Zustände höherer Ordnung zusammenzusetzen.

Dank Single-Shot-Spektroskopie und elektrisch abstimmbarer Polarisationssteuerung kann der Übergang zwischen dissipativem Soliton und doppelbrechungsgesteuertem Soliton in Echtzeit visualisiert werden. Für beide Übergangsprozesse weisen sie eine Degeneration von Solitonen, eine Relaxationsoszillation und eine Regeneration von Solitonen auf. Diese Ergebnisse bestätigen weiter, dass doppelbrechungsgesteuertes Soliton im Bereich mit normaler Dispersion realisiert wird.

Numerische Simulationen basierend auf gekoppelten Ginzburg-Landau-Gleichungen reproduzieren die experimentellen Beobachtungen gut und bestätigen, dass neben der chromatischen Dispersion, Nichtlinearität und sättigbaren Absorptionseffekten die Doppelbrechung genutzt werden kann, um das Energie- und Ausbreitungsverhalten des Pulses zu steuern, was neue Forschungsmöglichkeiten eröffnen könnte Richtungen in den Bereichen optische Solitonen und ultraschnelle Faserlaser.

Diese Arbeit ebnet einen Weg zur direkten Erzeugung von chirpfreien Solitonen in Hohlräumen mit normaler Dispersion ohne externe Kompression. Ein solcher flexibler Faserlaser ist in der Lage, abstimmbare harmonisch modengekoppelte Solitonen höherer Ordnung bei einer relativ niedrigen Pumpleistung zu erzeugen, was einen vielversprechenden Weg zur Realisierung von Impulsquellen mit hoher Wiederholungsrate bietet, die mit geringem Stromverbrauch für die optische Kommunikation und Erfassung arbeiten.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Ultraschnelle Wissenschaft.