在多模激光器中，若各纵模和各横模同时锁定，则实现了时间、空间维度的锁模，称为“时空锁模”。不同于传统的单横模（多纵模）锁模激光器，时空锁模激光器增加了空间自由度，不仅具有输出更高激光功率的潜力，而且蕴含更加复杂的时-空演化机制，是研究非线性物理现象的理想平台（前沿进展 | 激光器大模间色散下的时空锁模）。
近日，清华大学精密仪器系杨昌喜课题组与北京邮电大学电子工程学院肖晓晟课题组于Photonics Research合作发表了时空锁模激光器中多孤子起振动力学过程的最新研究成果。研究人员使用双通道空间采样方法，同时获取多模激光器多脉冲自启动过程中不同空间模式的实时数据，观测到了不同空间模式组分间相异的动态演化过程。他们还发现多孤子中不同孤子之间包含的空间模式分量也可能是不同的，并指出该现象可能源于三维可饱和吸收体在调节多模激光器时空特性中起到的独特作用。
实验搭建了基于非线性偏振旋转锁模的1030 nm时空锁模多模光纤激光器以及双通道采样的色散傅里叶变换系统(DFT)，如图1所示，包括多模980 nm泵浦源（LD）、短通二向色镜（SPDM）、聚焦透镜（L1、L2）、多模增益光纤（Gain fiber）、多模无源渐变折射率光纤（GRIN fiber）、光隔离器（ISO）及光谱滤波器（SF）等。激光器输出光由两个放置在不同光斑空间位置的光纤准直器采样，经过两套校准标定后的DFT系统，通过探测器探测并由高速示波器实时同步存储，得到了双通道对应不同空间模式组分的实时光谱演化数据。
图1 时空锁模多模光纤激光器及双通道空间采样DFT系统结构图
图2展示了同步采集到的两路三脉冲起振实时演化动态过程。该过程包含了弛豫振荡（RO）、调Q（QS）、锁模（ML）三个典型的演化阶段，可以明显发现两个通道在弛豫振荡阶段尽管强度背景起伏同步发生，但有着截然不同的演化图样。与此同时，在弛豫振荡阶段可见整体的波动起伏背景中有许多小脉冲，且这些小脉冲在不同空间模式中群速度并不相同。弛豫振荡的背景强度经历几次较大的波动后，先前的某些小脉冲逐渐取得优势竞争，强度不断变大，成为锁模脉冲。值得注意的是，在稳定的时空锁模之前，孤子光谱随着演化会呈现出剧烈的波动，且不同空间模式的能量演化并不同步，表明在稳定锁模前期阶段存在明显的空间模式竞争。
图2 时空锁模激光器中多孤子起振的动态演化过程（a）两个空间采样通道的三脉冲起振DFT数据（b）根据数据拼接绘制的光谱动态演化图（c）两通道脉冲总能量演化图，插图对应稳定锁模前光谱剧烈波动阶段的能量演化（d）两通道中各脉冲的相对能量比值
此外，在具有不同强度的多孤子的稳定锁模状态下，通过分析两个通道不同脉冲的能量比例，研究人员发现不同空间模式的各个脉冲能量比值并不相同，换言之，非等高多孤子脉冲包含的空间模式组分不尽相同，表明这些时空锁模的多孤子具有时空结构。他们发展了一种简化的包含增益和可饱和吸收体的多模-多孤子脉冲能量迭代模型，通过该模型分析发现横模依赖的三维可饱和吸收体能够影响多孤子的时空结构。
该工作首次报道了时空锁模激光器中不同空间模式的多孤子的起振动态演化过程，且观测到多孤子的时空特性，增加了人们对于时空锁模激光器锁模过程的理解，丰富了高维非线性动态现象。
研究人员下一步计划使用更为精确的基于多模式耦合的广义非线性薛定谔方程组，来仿真模拟时空锁模激光器中多孤子的起振过程，以便对该实验中观测到的其他动态过程进行更深入的分析和解释。
论文信息：
Kewei Liu, Xiaosheng Xiao, Yihang Ding, Hongyan Peng, Dongdong Lv, Changxi Yang. Buildup dynamics of multiple solitons in spatiotemporal mode-locked fiber lasers[J]. Photonics Research, 2021, 9(10): 10001898
