研究人员首次在掺铥光纤激光器中观测到矢量孤子生成
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研究人员首次在掺铥光纤激光器中观测到矢量孤子生成

发布时间:2015-02-26     文章作者:     浏览次数:

江苏师范大学和美国康奈尔大学的研究人员,在长期开展矢量孤子激光器研究的基础上,首次在掺铥光纤激光器中观测到矢量孤子的生成。研究表明,矢量孤子的生成是与波长无关的,通过控制光纤激光器腔内双折射的强弱可以控制矢量孤子两个分量之间的波长偏移量。该项研究成果发表在《IEEE光子学技术快报》(IEEEPhoton.Technol.Lett.vol.26,no.8,769-772,2014)上。

使用光纤激光器产生光孤子已为大家所熟知。光纤理论上应该是各项同性的,但由于制造工艺的限制、使用中的随机应力产生等客观条件,普通光纤一般都具有弱双折射。标准单模光纤的双折射长度在1550nm波长大概为1到10米。如果在光纤激光器中使用偏振相关器件比如起偏器,生成的孤子一般来说可以认为是标量孤子,即孤子偏振方向唯一。如果光纤激光器中没有偏振相关器件,那么沿光纤的两个偏振方向都是可以实现光孤子的,如果这两个光孤子绑定在一起作为一个整体在光纤中传播,我们就称其为矢量孤子。其两个分量的绑定可以通过中心波长的偏移产生的互相位调制补偿双折射导致的群速度差异来实现的。

标量孤子实际上是矢量孤子的一种简化版本。矢量孤子的动力学特性才是激光器特别是光纤激光器中脉冲演变的真实再现。因此在理论研究中必须采用耦合的方程组来描述脉冲在光纤激光器中的演变过程而不能使用简化的标量模型。1997年,S.Cundiff等人首次在线性腔光纤激光器中实现矢量孤子(S.Cundiffetal.,Opt.Express1,12-21(1997))。2008年,新加坡南洋理工大学D.Y.Tang教授的研究小组成功解决了环形腔光纤激光器中无法产生矢量孤子输出的难题,首次在环形光纤激光器中实现矢量孤子(L.M.Zhaoetal.,Opt.Express,vol.16,no.13,pp.9528-9533,Jun.2008),并在随后的系列研究中揭示了矢量孤子的许多有趣的性质,比如:1)偏振旋转锁定效应[L.M.Zhaoetal.,OpticsExpress,16,10053(2008)]。当矢量孤子的偏振状态不锁定时,其偏振状态将在腔内旋转,如果旋转的周期接近腔长时,该偏振状态旋转可以锁定为腔长的整数倍。2)独特的孤子间相互作用。在矢量孤子群中存在一种新奇的相互作用模式:组成矢量孤子群的矢量孤子之间可以存在不间歇往复运动[L.M.Zhaoetal.,OpticsExpress,17,8103(2009)]。3)不同类型的矢量孤子可以在激光器中共存[L.M.Zhaoetal.,OpticsLetters,34,3059(2009)]。偏振锁定矢量孤子和偏振旋转矢量孤子是两种不同的矢量孤子,但实验发现偏振锁定矢量孤子和偏振旋转矢量孤子可以同时存在于一个锁模光纤激光器中。4)矢量孤子也可以在正常色散区形成[L.M.Zhaoetal.,OpticsLetters,35,1902(2010)]。

矢量孤子的产生是由于光纤的弱双折射的存在,而光纤的弱双折射是与波长无关的,因此在其它波段也应该可以观测到矢量孤子在光纤激光器中的形成。江苏师范大学的研究小组在工作波长为1950nm附近的掺铥光纤激光器中观测到了矢量孤子的生成,如图一所示。通过控制腔内的平均双折射,可以调节矢量孤子两个分量之间的波长偏移。数值模拟很好的再现了实验结果,如图二所示。这一研究成果为在2um波段研究矢量孤子性质奠定了基础,有望扩展人们对矢量孤子的认识。

此项研究得到了国家自然科学基金委、江苏省科技厅、江苏省教育厅(江苏省优势学科和江苏省高校协同创新中心)的资助支持,由江苏省先进激光材料与器件重点实验室赵鹭明教授领衔的研究小组完成。目前,研究人员正在积极开展后续研究,希望可以揭示矢量孤子在2um波段的特性。

  图一矢量孤子的光谱图

  图二数值模拟得到的矢量孤子光谱图

来源:http://laser.ofweek.com/2015-01/ART-240002-8120-28925052.html