近日，清华大学精密仪器系杨昌喜教授课题组与北京邮电大学电子工程学院肖晓晟副教授课题组合作，在时空锁模光纤激光器方向取得了新进展。合作团队证实了大模间色散下依然可以实现时空锁模，并对腔中非线性动力学过程进行了详细研究。研究成果以“Spatiotemporal mode-locking in lasers with large modal dispersion”为题于3月3日发表在Physics Review Letter上，并被评为“编辑推荐(editors’ suggestion)”文章。

锁模激光是获得超短光脉冲的一种主流方法，也是研究非线性的理想平台，对它的研究具有重要的科学和应用价值。近年来兴起的时空锁模同时锁定多横模与纵模，其输出的脉冲能量比传统的多纵模锁模更高，非线性过程也更丰富。2017年，康奈尔大学Wright 等人首次成功搭建了时空锁模多模光纤激光器并发表于Science期刊。但Wright等人认为，小的横模间色散对于腔内实现时空锁模是至关重要的，因为色散可以很容易地通过腔内非线性来平衡，从而实现多个模式的同时锁定。很自然地，会想到在大模间色散下时空锁模是否能实现以及此状态下时空锁模非线性动力学有何不同。从工程应用角度考虑，普通商用的多模增益光纤的横模间色散通常远远大于Wright等人所用的特殊定制的增益光纤。研究基于便宜、商用的多模增益光纤的时空锁模具有重要的应用价值。

图1 实验装置图。

图2 多模光纤激光器内输出随着泵浦功率增加的演化。

研究人员搭建了大模间色散多模光纤激光器（图1），并成功地实现了时空锁模（图2）。借助仿真模型，发现大模间色散下的时空锁模与小模间色散下的时空锁模有很大的不同。除此以外，研究人员还在多模光纤激光器中观察到了光斑自选择现象，即从多模时空锁模状态过渡到单个低阶模式的锁模状态。此文提出的阶跃折射率多模光纤组成的时空锁模系统更加接近三维系统，有望成为研究高维非线性科学提供便捷平台。此外，对大模间色散时空锁模的探索将扩展耗散时空锁模非线性动力学的参数空间，加深对复杂三维非线性时空动力学的理解，同时也拓宽了时空锁模激光器的设计可能性。另一方面，在高功率光纤激光器中也有着重大应用。

该工作由清华大学和北京邮电大学合作完成。清华大学杨昌喜教授和北京邮电大学肖晓晟副教授为论文通讯作者，博士研究生丁一航和副教授肖晓晟为论文第一作者。该项工作得到国家重大科学仪器设备开发专项、自然科学基金等项目支持。

论文地址：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.093901#

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.093901