孤子激光器克服了能量限制

2020-06-03 10:38

产生超短光脉冲需要仔细控制光的色散：相速度取决于频率，并且由于实际脉冲包含频率扩展，因此它在传播通过光学介质时会变宽。孤子激光器是一种简单，便宜的亚皮秒脉冲源，主要由激光二极管和光纤组成。它们通过与Kerr聚焦（当光的电场改变介质的折射率时引起的脉冲变窄）之间的平衡来平衡扩散，从而减轻了扩散，因此每个脉冲都作为孤子传播，其持续时间保持不变。

孤子激光器由于其简单的结构而具有吸引力，但它们无法获得啁啾脉冲放大等技术的高能量。这是因为能量E和持续时间τ呈反比，因此缩短脉冲只会增加其能量。

现在，悉尼大学的Antoine Runge及其同事与麦格理大学和诺基亚贝尔实验室的合作者已经克服了这一限制。他们的新型纯四元孤子激光器使用空间光调制器（SLM）来控制光的色散关系，以允许获得更高的能量脉冲。

色散关系k（ω）描述了波的频率如何与其波长相关。对于常规孤子激光器中的光，该函数近似为二次方，其二阶导数描述了在没有Kerr聚焦的情况下脉冲将如何扩展。实验上可以最小化可能使孤子不稳定的非零高阶导数。然而，2016年，悉尼大学的研究人员（包括当前研究的作者安德里亚·布兰科－雷东多和马丁·德·斯特克都在内）表明，高阶色散实际上是有用的。他们设计了一个光子晶体波导其中通过波导的几何形状消除了二阶和三阶色散的影响。四阶色散和克尔聚焦的平衡是孤子形成的原因。

Runge及其同事制造的纯四阶孤子激光器采用了相同的原理。但是，研究人员使用可编程的SLM代替了专门设计的波导，以创建所需的色散分布图。研究人员证实，四次脉冲的能量是正比于τ-3，作为预测的第四阶色散孤子，而不是τ-1，如在常规的孤子。这种缩放解释了为什么纯四阶激光器中的脉冲能量有可能超过现有设备中的脉冲能量几个数量级。朗格及其同事的下一步是实现这些更高的能量。

在几十瓦的功率下，孤子脉冲没有打破任何记录。然而，像微机械和软组织手术这样需要快速爆发出高能量的应用，可以从紧凑、低成本的设备中获益。