Raumzeitliche Modenkopplung und dissipative Solitonen in Multimode-Faserlasern

Die Geburtsstunde der spatiotemporalen Modenkopplung (STML) kann auf den Bericht von Wright und Kollegen aus dem Jahr 2017 zurückgehen. Nach diesem Durchbruch florierte die Forschung zu STML. Unser Verständnis und unsere Kontrolle über raumzeitliche dissipative Solitonen (STDSs) und STML in Multimode-Faserlasern (MMF) sind jedoch noch nicht so ausgereift wie bei Singlemode-Faserlasern.

Zu den größten Herausforderungen gehören das Erreichen ultrahoher Pulsenergie und beliebiger Modenprofile in MMF-Lasern sowie die Verfeinerung räumlich-zeitlicher Charakterisierungstechniken. Die Bewältigung dieser Herausforderungen würde vielfältige Anwendungen für MMF-Laser eröffnen.

Kürzlich wurde ein Übersichtsartikel mit dem Titel „Spatiotemporal Mode-Locking and Dissipative Solitons in Multimode Fiber Lasers“ veröffentlicht Licht: Wissenschaft und Anwendungen vom Team um Changxi Yang und Chengying Bao von der Tsinghua-Universität, China. Dieser Aufsatz fasst den Forschungsfortschritt zu STML und STDS bei MMF-Lasern zusammen und skizziert mehrere Perspektiven, die zu Durchbrüchen bei STML-Lasern führen könnten.

Der Ausgleich der Intermode-Dispersion und die Synchronisierung modenaufgelöster Impulse sind eine Voraussetzung für STML. Abhängig von der Größe der intermodalen Dispersion tragen drei dominante Mechanismen zum Ausgleich der intermoden Dispersion bei und steuern STML: das nichtlineare dominante Regime von Kerr, das dominante Regime des räumlich-zeitlichen sättigbaren Absorbers und das dominante Regime der räumlichen Kopplung (Abb. 1b).

Jedes Regime weist eine unterschiedliche Dynamik für die dreidimensionalen Impulse auf. Diese STDS unterscheiden sich von herkömmlichen STDS mit festen Impulsformen aufgrund der komplexen räumlich-zeitlichen Kopplung, die sich auf ihre zeitlichen, spektralen und räumlichen Eigenschaften auswirkt (Abb. 1c).

Mehrdimensionale Messtechniken und nichtlineare Dynamik

Die Messung ist für das Verständnis des STDS-Verhaltens von entscheidender Bedeutung. Derzeit können spektrale Filterung und räumliche Abtastung kaum die volle Dynamik von STDSs erfassen und behindern unsere Fähigkeit, STML-Laser zu steuern. Mehrdimensionale optische Feldmessungen in Echtzeit sind entscheidend, um die raumzeitliche Dynamik zu erfassen.

Durch die Kombination von Techniken wie Multimode-Dispersion-Fourier-Transformation, Zeitlinsen, Modenzerlegung und Timing-Jitter-Messungen könnte ein leistungsfähiges System zur Charakterisierung der räumlich-zeitlichen Dynamik von STDS entstehen (Abb. 2). Mit der vollständigen Charakterisierung von STDS in räumlicher, zeitlicher und spektraler Dimension können exotischere nichtlineare Dynamiken erfasst und STML-Dynamik aufgedeckt werden.

Modentechnik und Energieskalierung

Modenfeldsteuerung und Wellenfrontformung haben vielseitige Anwendungen. Die kundenspezifische Anpassung der Moduskomponenten in Multimode-Lasern bleibt jedoch eine Herausforderung. Die Selbstreinigung des Strahls oder die Einführung räumlicher Lichtmodulatoren können die Modenfeldsteuerung von STML-Lasern ermöglichen. Das Erreichen einer hohen Pulsenergie mit einem benutzerdefinierten Modusprofil kann die Tür für viele spannende Anwendungen öffnen, einschließlich der nichtlinearen Mikroskopie. Darüber hinaus kann die räumliche Kohärenz neue Möglichkeiten für Anwendungen eröffnen (z. B. chaotisches Lidar), bei denen eine geringe Kohärenz von Vorteil sein kann.

In diesem Abschnitt des Artikels werden die Anwendungen und neuartigen technologischen Wege raumzeitlicher modengekoppelter Laser behandelt (Abb. 3). Zu den Themen gehören optische Multimode-Frequenzkämme, Wellenlängenmultiplex für Multimode-Laser, Erzeugung von Multimode-Superkontinuum, modengekoppelte Single-Cavity-Dual-/Multi-Kämme und kohärent gepumpte Multimode-Laser. Diese Fortschritte können unsere Fähigkeit, Photonen in locker begrenzten, nichtlinearen, ultraschnellen Multimode-Systemen zu steuern, auf ein neues Niveau heben.