【资讯】2.8 μm中红外锁模光纤激光器中的可切换多孤子与周期倍增动力学

2026-10-22 17:41:22

中红外波段承载了丰富的分子振动和转动信息，在分子光谱分析、生物医学检测、环境监测以及材料加工等多领域展现出重要应用价值。同时，该波段存在多个重要的大气传输窗口，这不仅为自由空间光通信的发展提升了潜在优势，也为实现超快光信息传输与编码开辟了新的可能。因此，发展高性能中红外超快光源，并进一步探索其中丰富的脉冲动力学，对于推动中红外光源的发展及其潜在应用具有重要意义。

在锁模光纤激光器中，光脉冲在色散、非线性和增益等多种因素的共同作用，会呈现丰富的动力学行为。随着泵浦功率和腔内偏振状态的变化，稳定的单孤子可以进一步演化为孤子对与多孤子分子，也可能出现谐波锁模和周期倍增等复杂状态。其中，多孤子分子具有可调的孤子数目和相对时间间隔，有望为超快光信息编码提供新的自由度；而倍周期分岔等非线性动力学则揭示了脉冲状态从稳定向混沌演化的路径。然而，对于2.8 μm中红外光纤激光器而言，上述脉冲状态及其相互演化规律与路径仍缺乏系统研究。

研究内容与结果

针对上述问题，中国科学院西安光学精密机械研究所郭海涛研究员、肖旭升副研究员团队搭建了基于非线性偏振旋转（NPR）的2.8 μm Er³?:ZBLAN锁模光纤激光器，通过调节泵浦功率和腔内波片角度，实现了多种脉冲状态之间的可切换运行。激光器首先获得了稳定的单孤子输出，脉冲宽度为248 fs。在进一步提高泵浦功率后，系统连续可切换地形成了双孤子、二阶谐波锁模和等间隔与不等间隔的三孤子分子。

除了上述稳态孤子与孤子分子之外，研究人员还观察到了周期倍增分岔现象。实验中获得了稳定的三倍周期分岔状态，即脉冲的强度变化经过三个腔往返周期后重复；随着腔内偏振状态进一步调节，还观察到了向更高阶长周期脉动演化的趋势。研究表明，周期倍增不仅可以发生在单孤子状态，也可以出现在不同的多孤子工作状态中，体现了中红外锁模光纤激光器从稳定孤子到多周期复杂动力学的演化过程。

图1 实验装置与主要结果。a：实验装置图与光纤端面。b：孤子对与等间隔三孤子。c：单脉冲与二次谐波状态下的三倍周期分岔态

在理论研究方面，团队通过求解复Ginzburg–Landau方程模拟腔内脉冲演化，较好地重现了实验中的多孤子和倍周期分岔状态，并进一步预测了级联倍周期分岔以及更多孤子分子等更加丰富的动力学状态。

图2 数值模拟结果。a：周期为2、3的分岔状态。b：不同间隔的双孤子分子。c：三孤子与四孤子分子

该研究在中红外飞秒光纤激光器中系统展示了单孤子、多孤子分子和周期倍增分岔之间的可切换演化，揭示了中红外超快光纤激光器中从稳定脉冲到复杂非线性动力学的丰富行为。研究结果不仅为中红外光纤激光器中的孤子相互作用和分岔机制的深入理解提供了新的实验平台，也为多脉冲信息编码等潜在应用开辟了新的可能。

参考文献： 中国光学期刊网

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