原創 長光所Light中心 中國光學
撰稿 | 何泊衢 博士（華東(dong) 師範大學）

01
導讀
克爾諧振器是一種結構很簡單，卻能產(chan) 生很複雜的非線性現象的光學係統。應用前景在於(yu) 超快飛秒脈衝(chong) 和光學頻率梳的產(chan) 生，其中光學頻率梳在精密光譜、頻率合成、精準測距、阿秒脈衝(chong) 產(chan) 生甚至天文光譜校準方麵都有重要的應用。然而，相對於(yu) 傳(chuan) 統的鎖模光纖激光器，克爾諧振器的相關(guan) 研究尚淺，一些關(guan) 鍵技術參數不如前者，有待科學工作者去開拓創新，技術突破。

近日，Physical Review Letters期刊以“Stretched-Pulse Soliton Kerr Resonators”為(wei) 題報道了一種基於(yu) 展寬脈衝(chong) 孤子的色散管理光纖克爾諧振器（如圖一所示），可以產(chan) 生210fs的脈衝(chong) ，是同類型光源迄今為(wei) 止產(chan) 生最短的脈衝(chong) 。

這項工作由美國三大光學中心之一羅徹斯特大學（University of Rochester）的光學研究所教授William H. Renninge團隊完成，Xue Dong是第一作者和通訊作者。

圖1 展寬脈衝(chong) 孤子光源
圖源：University of Rochester

02
背景介紹
強有力的通用激光光源一直是學術界和產(chan) 業(ye) 界的關(guan) 注焦點，同時也與(yu) 我們(men) 日常生活息息相關(guan) 。小到手機logo的激光打標，大到5G時代的光通信，近到鋼材鋼板的激光切割，遠到北鬥上的時間頻率標準設備，都離不開激光光源。

傳(chuan) 統激光光源可以是固體(ti) 激光器、半導體(ti) 激光器以及光纖激光器等等。眾(zhong) 所周知，新的技術出現往往意味著新的可能性，新的探索邊界意味著迷霧之外的廣闊天地。克爾諧振器就是一種產(chan) 生超快激光的新技術。

克爾諧振器，通過連續激光器泵浦，通過參量頻率轉換產(chan) 生寬帶的腔內(nei) 模式。通過建立腔內(nei) 模式的相位穩定關(guan) 係以及時間相幹性，克爾諧振器可以產(chan) 生鎖模脈衝(chong) 。

克爾諧振器作為(wei) 激光光源而言，相對於(yu) 光纖激光器，理論上可以產(chan) 生任意波長和重複頻率的激光脈衝(chong) ，不受增益介質的限製。這是最吸引研究者的地方。然而，未來是光明的，道路是崎嶇的。對於(yu) 光纖克爾諧振器的研究尚少，很多問題有待厘清。例如，用於(yu) 鎖模激光器中的高級技術，如色散管理，能否用於(yu) 克爾諧振器？

03
創新研究
針對以上問題，羅徹斯特大學的Xue Dong等人進行了相關(guan) 研究。具體(ti) 的實驗裝置圖如圖2所示。

脈衝(chong) 在一個(ge) 振蕩器或者激光器中形成，是腔內(nei) 群速度色散和克爾非線性相位達到平衡的一個(ge) 結果。對腔內(nei) 色散人為(wei) 地進行管理，當腔內(nei) 色散接近零，此時可以形成展寬脈衝(chong) ，有利於(yu) 產(chan) 生很短的飛秒脈衝(chong) 。具體(ti) 來說，脈衝(chong) 受到正色散的影響會(hui) 展寬，受到負色散的影響會(hui) 壓縮。在一個(ge) 色散精細設計的腔內(nei) ，脈衝(chong) 在腔內(nei) 運行的時候，會(hui) 展寬而又壓縮，在一次腔內(nei) 循環中兩(liang) 次到達傅裏葉變換極限的脈寬。

文章創新之處在於(yu) 通過數值模擬以及實驗驗證，表明色散管理技術可以用於(yu) 光纖克爾諧振器，產(chan) 生超短脈衝(chong) ，最短可以到210fs。脈衝(chong) 展寬和壓縮的比值可以到3：1。對於(yu) 脈衝(chong) 的時域和頻域進行測量，形狀是高斯型，也應證了處於(yu) 展寬脈衝(chong) 機製。傅裏葉變換受限的脈衝(chong) 寬度強烈依賴於(yu) 腔內(nei) 總色散和驅動功率。

圖2 展寬脈衝(chong) 克爾諧振器的實驗裝置圖
圖源：Phys. Rev. Lett. 125，033902（2020）（Fig.2）

04
應用與(yu) 展望
受益於(yu) 光纖優(you) 秀的熱管理能力、單模運行、低波導損失以及商業(ye) 化的高質量器件，光纖克爾諧振器有望在全光學緩存、長距離相互作用、空間時間不穩定性等方麵得到技術拓展。展寬脈衝(chong) 的克爾光纖諧振器，也給無波長依賴的超快光纖光源，提供了一種新的技術路線。同時也給微環諧振器和體(ti) 增強諧振腔相關(guan) 技術轉移帶來新的希望。讓我們(men) 對未來拭目以待。
文章信息
相關(guan) 成果以Stretched-Pulse Soliton Kerr Resonators為(wei) 題，發表在 Physical Review Letters 。
論文地址：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.033902