SPJ｜超快科学：净正色散掺铒光纤激光器中能量可调的双折射管理孤子

实验采用含有一段保偏光纤（0.9-1.4 m）的净正色散掺铒光纤激光器，具体结构如图1所示。脉冲从单模光纤传输进入保偏光纤中时，两个正交偏振分量之间会发生模式耦合（图1a）。因此，激光器的工作状态与单模光纤中激光偏振态相关。当单模光纤中沿快轴的偏振分量与保偏光纤慢轴方向的夹角θ在45°附近时，光纤激光器输出无啁啾的双折射管理孤子，其光谱两侧具有尖锐的边带；当θ为90°时，激光器输出强啁啾的耗散孤子，其光谱呈矩形。与耗散孤子相比，双折射管理孤子具有更小的脉冲宽度、光谱带宽、脉冲能量和自启动阈值（图1b）。同时，双折射管理孤子可在较小的泵浦功率下实现谐波锁模，单脉冲能量的调谐范围达到了15倍以上。

基于耦合复金兹堡-朗道模式方程，作者首先研究了双折射管理孤子的两个正交偏振分量在腔内的演化行为，具体如图2所示。在单圈循环中，脉冲依次经过1.1米单模光纤、15.3米掺铒光纤、1.2米单模光纤、光耦合器、2.6米单模光纤、可饱和吸收体和3.4米单模光纤。随后，单模光纤中的两正交偏振分量耦合进入长度为1米的保偏光纤中。由于保偏光纤的高双折射特性，脉冲两个正交偏振分量相互靠近并在保偏光纤中心附近发生碰撞。之后，两个正交偏振分量彼此分离，并在保偏光纤的尾端分别耦合进单模光纤中，最后回到波分复用器中并开始下一圈循环。

在泵浦功率保持在10 mW附近时，通过调节电动偏振控制器，可以实现5阶到85阶的可控谐波锁模，此时双折射管理孤子的单脉冲能量的可调范围达到了15倍以上（图3a-b）。图3c-f展示了5阶和85阶双折射管理孤子谐波锁模对应的脉冲序列和频谱。以85阶谐波锁模为例，其相邻脉冲的间距为1.48 ns，对应的重复频率为977.3 MHz，较高的信噪比证明了谐波锁模的稳定性。

利用电动偏振控制器精准快速改变腔内激光的偏振状态，可以实现双折射管理孤子和耗散孤子的快速切换。结合色散傅里叶变换技术对两种孤子的切换过程进行实时观测，发现两种切换过程都主要包括孤子湮灭，弛豫振荡及孤子重建三个阶段。该结果进一步证实，双折射管理孤子确实形成于正色散光纤激光器中，且其能量相对耗散孤子较小。

图4 双折射管理孤子与耗散孤子相互切换的动力学特性。（a）双折射管理孤子切换至耗散孤子；（b）耗散孤子切换至双折射管理孤子。