动态可调控的超快光纤激光器及其数字编码光源
动态可调控的超快光纤激光器及其数字编码光源
近日，国防科技大学和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所联合开发了一种基于偏振各向异性准一维层状材料的动态可调控超快光纤激光器，实现了在同一谐振器系统中孤子与类噪声脉冲状态的切换，并应用于光源的高速数字编码。这一突破性成果发表在Light: Science & Applications期刊上，为构建可调谐超快光纤激光器开辟了新的途径。
图1 超快脉冲激光状态动态可控切换示意图
近年来，随着激光产业的快速发展，许多特殊应用对光纤激光器的灵活调控能力提出了更高的要求。其中，超快光纤激光器状态（如波长、强度、脉冲宽度等）的可调操作，是实现激光灵活应用的关键。然而，由于超快光纤激光器属于非厄米系统，内部存在复杂的损耗、非线性机制，激光状态的主动调控仍然是一个巨大的挑战。
研究团队选择了具有低对称性的准一维层状材料Ta2PdS6作为代表，探索其偏振敏感的饱和吸收特性及其作为调制器件在超快脉冲激光器中的应用。研究人员首先制备了高质量的Ta2PdS6材料并通过优化的干法转移工艺将Ta2PdS6精准集成在光纤端面，进而研究Ta2PdS6器件的偏振吸收特性。随后，对Ta2PdS6的偏振光吸收进行了理论模拟，其在1.56 μm（对应光子能量约0.8 eV）光激励下具有显著的偏振吸收特性（图 2a）。Ta2PdS6在同一波长下的各向异性透射，表明其光吸收强度与偏振状态有关，而且偏振对比度随泵浦功率的增加而增加（图 2 b）。
图2 准一维半导体材料的偏振光学特性
研究人员将Ta2PdS6调制器件加入环形谐振腔内，成功实现了稳定的孤子和类噪声脉冲输出。两种不同状态的脉冲噪声性能（图3a、3b）表明孤子状态的相位噪声（定时抖动）要优于类噪声脉冲。为了进一步表征类噪声脉冲的内部变化，研究人员采用了色散傅立叶变换技术对其瞬态光谱进行了研究（图 3c、3d）。与光谱仪的测量不同，色散傅里叶变换技术测量就像对光谱进行逐帧拍摄。结果表明，类噪声脉冲光谱的侧翼在不同镜头之间发生变化，但带宽基本保持不变。六帧逐次拍摄的光谱轨迹，更加直观地说明了类噪声光谱的演变过程。类噪声光谱的最强峰值在中心波长附近交替出现，边带的演化比较混乱。该现象可以归因于类噪声脉冲的特性，即由一系列振幅和持续时间随机分布的子脉冲组成的脉冲蔟。
图3 孤子和类噪声脉冲的噪声表征及瞬态光谱演化
研究人员只需调整偏振控制器的倾斜角度，即可在恒定的泵浦功率下，实现孤子和类噪声脉冲两种不同激光状态之间的切换。同时，研究人员进一步记录了在3.5小时内连续转换操作（七次操作，每次运行持续0.5小时）期间激光器输出光谱的变化情况（图4）。转换前后两种激光状态各自的光谱基本不变，证明了基于Ta2PdS6的超快光纤激光器状态切换的稳定性。在固定的实验条件下，孤子和类噪声输出状态被记录了720小时以上，没有观察到中心波长和光谱宽度的明显退化，证明了其长期稳定性。此外，研究人员通过数值模拟进一步揭示了同一光纤激光器中，脉冲状态切换的动力学演化机制。最后，将该激光器作为可编码光源，在该平台上演示验证了数字编码的应用。
图4 两种不同激光状态的可控切换
这项研究不仅展示了准一维层状材料在超快激光领域的应用潜力，也为构建可调谐超快光纤激光器提供了一条新的途径。未来，这种动态可调控的超快光纤激光器有望在光通信、精密测量、激光加工等领域发挥重要作用。
论文信息：
Ultrafast laser state active controlling based on anisotropic quasi-1D material
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01423-3
作者信息：
国防科技大学杨子鑫博士生和苏州纳米所俞强博士为该论文的共同第一作者，国防科技大学周朴研究员、吴坚副研究员和中国科学院苏州纳米所张凯研究员、王俊勇副研究员为论文的共同通讯作者，该研究工作得到了国家自然科学基金的大力支持。