超快激光动力学过程的产生

连续激光器的产生比较简单，对激光器进行泵浦之后，激光输出不稳定，会在稳定输出功率值的附近产生逐渐衰减的振荡（或称阻尼振荡），最后达到稳定输出，阻尼振荡过程通常在微秒和亚微秒量级。运用在超快激光领域的脉冲激光器的产生过程比较复杂，其可以采用1997年由香港大学提出的时间拉伸色散傅里叶变换（DFT）的技术来测试，测试装置如图160.1所示。

图160.1　测量光纤色散的实验装置

它的基本思想类似于经典的飞行时间测量，但当测量其飞行时间时，该方法不需要用单色仪来解析脉冲的不同光谱分量。相反，通过使用超短脉冲，色散脉冲的波长将几乎随时间线性变化，从而使脉冲的不同光谱分量通过其到达时间自动分离。因此，该技术仅涉及使具有已知光谱的低功率皮秒（或更短）脉冲通过具有未知色散的光纤，并测量由此产生的色散脉冲的时间分布。假设脉冲的峰值功率足够低（以确保色散在被测光纤中不产生非线性效应），则输出脉冲波包将会完全取决于色散，如果输入脉冲足够短，色散脉冲的时间分布将描绘出输入脉冲的频谱。时间曲线中和光谱中的任意参考点（例如中心峰）测得的时间延迟Δr处的一个点，是从频谱中与相应参考点（例如中心峰波长）相距Δλ的点映射而来的，这里Δτ=DLΔλ，其中L是光纤长度，D是光纤的平均色散。因此，对色散脉冲的时间分布的测量和对输入光谱的测量将直接且准确地给出色散参数D的正负号和幅度。锁模光纤激光器提供了一个非常方便且合适的超短脉冲源，用于在1.55 μm波段进行测量，因为其光谱具有许多尖锐的边带（尖峰），可以用作测量Δλ和Δτ的准确参考点。或者说，如果已知光纤的色散，则相同的设置是使用采样示波器获得超短脉冲的相对光谱曲线的便捷方法，这提供了仅解析同时包含脉冲和连续分量频谱的脉冲分量的独特功能。

我们可以利用DFT技术来探索激光产生和脉冲相互作用的动力学过程。无源锁模通常产生于窄带的准连续波激射。但是，短脉冲由于受到腔动力学的影响，剧烈的波动会自发地向锁模过渡。由于KLM激光器通常不是自启动的，所以腔内元件的快速移动会促进过渡，腔内元件会产生由少量紧密间隔的纵向模式组成的随机皮秒波动。最终，这样的波动会从这些随机原点发展成一个短得多的脉冲，从而使启动动态过程变得独特且非重复。在KLM中，通过钛蓝宝石晶体的强度相关折射率来改变光束轮廓，有利于短脉冲的形成。例如，增加与泵的重叠或减少硬孔处的损耗，再加上通过自相位调制的光谱展宽，自增强过程最终形成一个飞秒脉冲。超短脉冲持续时间需要在腔体内进行负的群时延分散，这通常是通过棱镜对或啁啾反射镜实现的，从而产生类似于孤子的动力学特性，并使脉冲持续时间低于5 fs。

锁模激光的动力学过程包含增强弛豫振荡、过渡阶段、稳定锁模三个过程。直接测量和TS-DFT数据绘制在图160.2（a）和图160.2（b）中，实验观察表明，在出现稳定的脉冲序列（即稳定的锁模）之前，存在明显升高的弛豫振荡。图160.2（b）展示了一个有代表性的实时测量，其中升高的弛豫振荡的持续时间约为4.6 ms，对应于约1.2×105的腔往返。在4.32 ms之前，由量子场涨落确定的空腔光子数保持在初始低值。从此开始，将产生第一个激光尖峰。相邻激光尖峰的间隔约为80μs。从抽运过程开始到稳定锁模，孤子的建立时间约为4.65 ms。

图160.2　超快激光产生的过程(www.xing528.com)

图160.3（a）展示了脉冲激光的复杂形成过程，包括Q-ML阶段，跳动动力学以及最终的稳态单孤子锁模态。在Q-ML阶段和跳动动力学过程中，激光腔中存在多个脉冲，而只有主脉冲逐渐演变为最终的稳态锁模脉冲。图160.3（a）的最后一帧如图160.3（b）所示。图160.3（c）所示的相应光谱是由光谱分析仪（OSA）直接测量的。从图160.3（c）中观察到了清晰的凯利边带，这是孤子光纤激光器的典型特征。孤子的半峰全宽最大光谱宽度约为8.2nm。图160.3（d）提供了图160.3（a）中数据的特写，揭示了带有干涉图样的跳动动态。图160.3（e）中展示了来自未分散事件（即未使用TS-DFT技术）的实验性实时测量，其中无法发现跳动现象。

图160.3　具有跳动动力学的孤子的形成

超快激光产生的第二个过程，相对于锁模激光产生的第一个过程，该过程增加了一个瞬时束缚态（transient bound state）。一个典型的例子如图160.4所示。在图160.4（a）中完整显示了这种独特的堆积过程的实时TS-DFT测量，其中包括升高的弛豫振荡，图160.4（a）所示的唯一过渡区域的持续时间比图160.4（b）的长约3倍。与图160.2中的面板（B）非常相似的图160.4（b）是图160.4（a）中的稳定模式锁定时的放大图。图160.4（c）是来自图160.4（a）的某些数据的二维表示，详细显示了此过渡区域中光波的演变。干涉图显示了伴随波长的周期性调制，这是束缚态光谱的典型结果。图160.4（e）展示了瞬态束缚态的每个单脉冲光谱的傅里叶变换。显然，具有三个峰值的相应场自相关表现出具有两个脉冲的束缚态的演化。

图160.4　实验实时显示具有瞬时束缚态的孤子的形成动力学

瞬时束缚态中两个孤子的相互作用和演化如图160.5所示。从图中可以看出，处于瞬态束缚态的两个孤子具有不同的幅度和脉冲宽度。两个孤子是从大约-2800的往返中快速生成的，然后它们的间隔在大约-1250的往返次数之间在约5.5 ps的范围内波动。然后，两个孤子开始相互偏离。最后，一个孤子消失，而另一个孤子演化为激光腔内的固定锁模脉冲。该系统最终仅用一个孤子就实现了稳定的锁模。研究发现，锁模激光中孤子形成过程会依次经历增强弛豫振荡、准锁模阶段、光谱拍频动力学、瞬时束缚态阶段和稳定锁模几个阶段。