技术突破｜诺派激光团队实现“9字腔”超快激光器锁模状态智能识别

2023-01-16 15:57

超短脉冲激光器在精密加工、智能传感、以及医疗医美等领域有着广泛的应用潜力。预计在未来五年将形成百亿量级的国内市场规模。目前，基于半导体光开关的被动锁模技术是工业界超快种子光源最成熟的方案。“9字腔”激光器（Figure－9 laser）是一种新兴的被动锁模技术，因其具有低噪声等特点而受到了广泛关注。Figure－9激光器一般通过加入偏振光学元件来操控锁模工作状态。然而，由两个波片的旋转角度所构成的参数空间包含了巨大的状态数据量，给选取最优工作点带来了极大挑战。如Figure－9激光器工作点选取不当，可能会带来启动慢、易失锁和易进入多脉冲状态等不利因素。当前，Figure－9激光器的方案优化和制造工艺总体还处于受经验指导的阶段，这使得“9字腔”技术在工业量产方面的潜力尚未得到充分的释放。

针对这一技术瓶颈，诺派激光技术团队在国际上提出并实现了一种自动控制、自动收集和自动判断Figure－9激光器输出状态的方法。得益于这种高速、完整表征技术，Figure－9激光器参数空间输出状态的完整扫描成为可能。例如，该系统可以在24小时内，完成约100万个工作点的锁模状态智能判别，使得找寻激光器物理上允许的最优工作点成为可能。通过琼斯矩阵计算，支持锁模状态的腔响应曲线构成的带状区域可以被清晰地展示出来。有意义的是，当激光器的结构参数改变时，锁模热区的模式分布也呈现规律性的变化。如改变光纤环长度破坏谐振腔对称性时，激光器只能在正相移区间出现工作点。该技术突破能够快速、完整地展示Figure－9输出状态在整个参数空间中的演化规律，使得识别Figure－9激光器最优工作点进入了“图像识别”的新阶段。

图1、上图展示的是参数空间中可支持锁模状态的腔非线性响应曲线所形成的优化区域（分正相移区和负相移区）。下图展示的是快速扫描获得的激光器全参数空间状态分布图（具有每24小时完成100万个状态的高速分析能力）。

技术突破｜诺派激光团队实现“9字腔”超快激光器锁模状态智能识别

图2、（a）参数空间中可支持锁模状态的锁模区域；（b）展示某个锁模区域的回滞特性。

为了深入评估不同锁模工作点的等效性，技术团队还进一步对锁模状态的回滞动力学进行了细致研究。为此，对参数空间的一个最小重复单元所包含的四个锁模区域进行回滞特性的完整表征。实验发现，不同锁模区域的回滞特性并不相同，通过加入色散控制，观察到了回滞动力学与腔内色散的确切的关联关系，这也是被动锁模激光器回滞特性与激光器的基本参数关联规律的首次报道。光学领域国际知名期刊《Optics Letters》近期先后收录了该两项成果。以上技术突破标志着诺派激光在“9字腔”锁模机制这一超快激光器底层技术领域，已进入国际领先水平。