建造飛秒光纖激光器往往使用單模光纖，其較小的芯徑伴隨著很強的非線性，易造成脈衝(chong) 分裂，因此限製了激光功率的提升。利用折射率漸變多模光纖（GRIN MMF）的時空鎖模，在理論上可獲得很高的功率，而且近年來發現的光束自清潔（Self-cleaning）效應有望改善輸出光束質量。這篇文章報導了具有腔內(nei) 克爾誘導光束自清潔特性的多模鎖模光纖激光器，可以產(chan) 生高能量且光束質量良好的飛秒脈衝(chong) 。

圖1 多模諧振腔模擬係統示意圖

在多模諧振器模擬中， 作者考慮了五個(ge) 低階模式共存，係統如圖1所示，仿真初始條件為(wei) 量子噪聲場，脈衝(chong) 演化過程中的脈寬及譜寬變化如圖2所示。在增益光纖末端可以得到最短的脈衝(chong) ，脈寬為(wei) 450 fs，也對應於(yu) 腔內(nei) 最高的峰值功率，可以使脈衝(chong) 在GRIN MMF部分達到克爾誘導光束自清潔的閾值。

圖2 模擬腔中的脈衝(chong) 演化，脈寬和光譜帶寬隨傳(chuan) 播位置的變化。SA,飽和吸收器;PC,脈衝(chong) 壓縮

由於(yu) 摻Yb增益GRIN MMF的生產(chan) 非常複雜，本實驗中采用商業(ye) 化階躍折射率增益MMF。與(yu) 階躍折射率MMF相比，GRIN MMF段在腔內(nei) 的模間色散可以忽略。實驗中，該課題組采用非線性偏振演化(NPE) 實現被動鎖模，實驗裝置如圖3所示。二極管泵浦源功率為(wei) 20W，波長為(wei) 976nm，通過泵浦合束器與(yu) 1.3米長的MMF增益光纖熔接。為(wei) 了激發GRIN MMF中的高階模，故意在增益光纖與(yu) 1.4米 GRIN MMF熔接時引入5μm的偏移。

在第一段GRIN MMF之後，光束準直後經過一組波片、偏振分束器（PBS）、隔離器、光柵對（600/mm）以及空間過濾器（隨機放置的小孔）。空間過濾器用於(yu) 限製腔內(nei) 的模態，在多模激光腔的實驗中，在沒有模態濾波的情況下，鎖模在長期運行中會(hui) 產(chan) 生振蕩。在上述腔中，隨機放置的針孔能夠確保穩定的鎖模。實驗中發現，對於(yu) 不同的針孔位置，空間光束的分布保持不變。腔中的光柵對引入較大負色散，導致進入GRIN MMF的脈衝(chong) 帶有一定的負啁啾，因而脈衝(chong) 在GRIN MMF及增益MMF中會(hui) 被壓縮。

圖3 多模克爾誘導自清潔效應諧振腔實驗示意圖

實驗中脈衝(chong) 由連續輸出到鎖模輸出演化如圖4所示，可見當被動鎖模發生後，伴隨著激光腔內(nei) 形成飛秒脈衝(chong) ，克爾誘導的自清潔效應極大地提高了光束質量。

圖4 減少腔損耗從(cong) 連續波到鎖模狀態的輸出光束演化（8nJ輸出脈衝(chong) 能量）

如圖5所示，當泵浦功率為(wei) 3.5 W時，可以產(chan) 生20 nJ、3.88ps的脈衝(chong) ，光譜寬40nm，脈衝(chong) 在腔外由光柵對可以壓縮到97fs，M2測量平均結果為(wei) 1.13（M2x=1.08，M2y=1.17）。

圖5輸出能量為(wei) 20nJ時的輸出光束參數

該課題組實驗中觀察到M2值隨著脈衝(chong) 能量的增加而減小，證明腔內(nei) 確實發生了克爾誘導的自清潔效應，該實驗開辟了高能量超快光纖激光器的新方向。

參考文獻：

[1] Ugur Tegin, Babak Rahmani, Eirini Kakkava, Demetri Psaltis, and Christophe Moser "Single-mode output by controlling the spatiotemporal nonlinearities in mode-locked femtosecond multimode fiber lasers," Advanced Photonics 2(5), 056005 (16 October 2020).