[论文解读] Ultra-broadband, few cycle pulses directly from a Mamyshev fiber oscillator

Chunyang Ma, Ankita Khanolkar+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型的Mamyshev光纤振荡器，通过利用增益光纤中的自相似非线性演化和本征可饱和吸收，直接产生超宽带、少周期脉冲（约5周期，约400 nm带宽）。该方法通过非线性动力学作为稳定吸引子，突破了传统增益带宽限制，实现了直接从光纤激光器输出的最短脉冲宽度和最宽光谱带宽。

ABSTRACT

While the performance of mode-locked fiber lasers has been improved significantly, the limited gain bandwidth restricts them to generate ultrashort pulses approaching a few cycles or even shorter. Here we present a novel method to achieve few cycle pulses (~5 cycles) with ultra-broad spectrum (~400 nm). To our best knowledge, this is the shortest pulse width and broadest spectrum directly generated from fiber lasers. It is noteworthy that a dramatic ultrashort pulse evolution can be stabilized in a laser oscillator by the unique nonlinear processes of a self-similar evolution as a nonlinear attractor in the gain fiber and a perfect saturable absorber action of the Mamyshev oscillator.

研究动机与目标

• 克服限制超短脉冲生成的锁模光纤激光器中的增益带宽限制。
• 开发一种直接从光纤振荡器产生少周期脉冲并具有超宽带光谱带宽的方法。
• 通过单个光纤腔内的本征非线性动力学和可饱和吸收，稳定剧烈的超短脉冲演化过程。
• 展示一种无需外部压缩的自维持少周期脉冲生成机制。
• 实现直接从光纤激光器振荡器输出的最短脉冲宽度和最宽光谱带宽。

提出的方法

• 采用Mamyshev振荡器结构，利用自相位调制和反常色散在增益光纤中驱动自相似非线性演化。
• 利用Mamyshev振荡器的本征可饱和吸收行为，稳定超短脉冲的形成。
• 采用具有定制色散和非线性的非线性光纤，以支持自相似脉冲演化作为非线性吸引子。
• 设计激光腔以通过非线性相位积累实现光谱展宽至约400 nm带宽。
• 优化泵浦功率和光纤长度，以平衡非线性压缩与增益饱和，实现稳定少周期脉冲发射。
• 使用光谱和自相关测量，直接确认振荡器输出的脉冲宽度和带宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光纤振荡器中，自相似非线性演化能否产生具有超宽带光谱带宽的少周期脉冲？
• RQ2 Mamyshev振荡器的本征可饱和吸收能否在无需外部元件的情况下稳定超短脉冲形成？
• RQ3 直接从光纤激光器振荡器可实现的最短脉冲宽度和最宽光谱带宽分别是多少？
• RQ4 非线性与色散之间的相互作用如何在单个腔体内实现稳定少周期脉冲生成？
• RQ5 自相似演化动力学能否作为非线性吸引子，确保脉冲形成的鲁棒性？

主要发现

• 该系统直接产生约5周期的少周期脉冲，为目前从光纤激光器振荡器输出的最短脉冲宽度。
• 输出光谱带宽达约400 nm，为迄今直接从光纤振荡器实现的最宽光谱带宽。
• 脉冲形成由增益光纤中的自相似非线性演化作为非线性吸引子所稳定。
• Mamyshev振荡器提供本征可饱和吸收，无需外部非线性或吸收元件。
• 该方法实现无需外部压缩的少周期脉冲直接生成，有利于紧凑且稳定的光源设计。
• 结果表明，该技术在生成超短、超宽带脉冲的光纤激光器技术方面实现了显著进步。