[论文解读] All-polarization-maintaining linear cavity fiber lasers mode-locked by nonlinear polarization evolution in stretched pulse regime

Xuanyi Liu, Feng Ye+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出两种通过非线性偏振演化（NPE）在拉伸脉冲状态下锁模的全保偏（PM）光纤激光器，采用非互易相移器实现低阈值、高重复频率工作。第二种设计实现了79 fs脉冲，带宽超过30 nm，峰值功率高，代表了使用NPE锁模器的保偏光纤激光器中报道的最短脉冲宽度。

ABSTRACT

Nonlinear polarization evolution (NPE) is among the most advanced techniques for obtaining ultrashort pulses with excellent optical performance. However, it is challenging to design environmentally stable NPE fiber oscillators using only polarization-maintaining (PM) fibers. Here, we use the same PM fiber and non-reciprocal phase shifter to design two different devices, which are capable of acting as effective NPE saturable absorbers (SAs) in two all-PM linear cavity fiber lasers. These two laser setups differ in the position of the non-reciprocal phase shifter, the presence of which is crucial for the proposed fiber lasers to reduce their mode-locking thresholds and achieve high repetition rates above 100 MHz. The mode-locking principle and pulse evolution in the laser cavity are investigated theoretically. The first all-PM fiber oscillator emits sub-200 fs stretched pulses with low peak powers. The second oscillator, with a simpler architecture, directly delivers stretched pulses with high peak powers, the spectral bandwidth greater than 30 nm, and the pulse duration less than 90 fs. To the best of our knowledge, 79 fs achieved in this design is the shortest pulse duration provided by PM fiber lasers using NPE mode-lockers.

研究动机与目标

• 开发环境稳定、全保偏（PM）光纤激光器，利用非线性偏振演化（NPE）实现锁模。
• 克服全PM光纤激光腔中实现低锁模阈值和高重复频率的挑战。
• 仅使用PM组件实现高性能拉伸脉冲工作，产生亚100 fs脉冲和宽光谱带宽。
• 研究非互易相移器在实现全PM配置中有效NPE行为中的作用。

提出的方法

• 设计两种全PM线性腔光纤激光器，将非互易相移器置于不同位置以调制偏振相关损耗。
• 在全PM光纤腔内利用非线性偏振演化（NPE）作为可饱和吸收体机制，实现被动锁模。
• 采用非互易相移器打破偏振对称性，增强非线性效应，降低锁模阈值。
• 优化腔内色散和非线性，使其工作在拉伸脉冲区域，实现宽光谱带宽和超短脉冲。
• 通过理论建模和实验验证脉冲宽度、光谱和重复频率，表征脉冲动力学。
• 仅使用PM光纤组件，确保腔内全程环境稳定性和偏振保持。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用非互易相移器在全PM光纤激光腔中实现有效的基于NPE的锁模？
• RQ2 非互易相移器的位置对全PM光纤激光器的锁模阈值和重复频率有何影响？
• RQ3 全PM光纤激光器能否仅使用NPE作为可饱和吸收体实现亚100 fs脉冲和高脉冲峰值功率？
• RQ4 在使用NPE的全PM拉伸脉冲光纤激光器中，腔体复杂性与性能之间的权衡是什么？
• RQ5 使用NPE锁模的保偏光纤激光器中可实现的最短脉冲宽度是多少？

主要发现

• 第一种全PM光纤振荡器产生亚200 fs的拉伸脉冲，峰值功率较低，证明了在全PM配置中使用NPE实现稳定锁模。
• 第二种振荡器结构更简单，可直接产生脉宽小于90 fs、光谱带宽超过30 nm的脉冲。
• 实现的最短脉冲宽度为79 fs，据作者所知，这是使用NPE锁模器的保偏光纤激光器中报道的最短脉冲宽度。
• 非互易相移器显著降低了锁模阈值，并实现了重复频率高于100 MHz的稳定工作。
• 理论分析证实，非互易相移器增强了偏振相关的非线性损耗，使全PM腔中实现有效的NPE行为成为可能。
• 两种设计在整个腔体内均保持完整的偏振保持，确保了环境稳定性和鲁棒性。