摘要：从精密加工到先进的显微镜技术，对高功率、超快激光器的需求持续增长。传统上，研究人员依靠单模光纤来构建这些激光器，但它们面临着能量输出的根本物理限制。为了突破这一瓶颈，我们转向了多模光纤，它可以同时承载多种光模式——本质上是不同形状的光——这种技术被称为时空锁模

从精密加工到先进的显微镜技术，对高功率、超快激光器的需求持续增长。传统上，研究人员依靠单模光纤来构建这些激光器，但它们面临着能量输出的根本物理限制。为了突破这一瓶颈，我们转向了多模光纤，它可以同时承载多种光模式——本质上是不同形状的光——这种技术被称为时空锁模 (STML)。

然而，让这些不同的模式协调一致地工作一直是一项巨大的挑战。在我们发表于《光学快报》的最新研究中，我们开发了一种新技术，使我们能够精确且独立地控制每个横向模式，从而显著提升激光功率和多功能性。

我们面临的核心问题是模间色散。在多模光纤中，不同模式的光传播速度略有不同。这种速度不匹配会导致激光脉冲在时间和空间上扩散和分离，从而阻碍稳定高功率脉冲的形成。之前的STML技术通常使用一种称为空间滤波的方法来补偿这种色散，但这种方法限制了可以锁定在一起的模式数量，从而限制了潜在的功率提升。

为了解决这个问题，我们提出了一种横向模式分离控制技术。我们的方法很简单：我们使用一种称为模式复用器/解复用器（MUX/DEMUX）的设备，将多模光纤内的混合光束分离成单独的通道，每个通道对应一个模式。分离后，我们可以通过在每个通道中添加精确长度的补偿光纤，独立地管理每个模式的色散（即传输延迟）。

优化每个模式后，我们用多路复用器将它们重新组合成一束强大且相干的光束。理论上，这种方法可以锁定任意数量的模式，从而最大限度地发挥光纤的能量潜力。

我们在一台8字形掺镱全光纤时空锁模激光器中实现了这项技术。实验结果令人鼓舞。通过同时锁定四个横模（LP01、LP11、LP21和LP02），我们获得了能量为15 nJ、重复频率为14.49 MHz的耗散孤子脉冲。

至关重要的是，我们证明了输出功率与参与模式的数量成正比。当四种模式同时锁定时，激光器的斜率效率（衡量其将泵浦功率转换为输出功率的效率）达到了 7.9%，是单模工作效率 3.79% 的两倍多。

此外，我们的技术还提供了前所未有的光束整形能力。通过动态选择参与锁模的模式组合，我们成功生成了具有均匀强度分布的准平顶光束。该特殊光束在3 W泵浦功率下实现了150 mW的平均输出功率和10.4 nJ的单脉冲能量。我们的激光器还展现出卓越的长期稳定性，连续运行12小时后中心频率漂移极小。

总而言之，我们开发并实验验证了一种新的控制技术，该技术克服了STML光纤激光器的核心功率可扩展性瓶颈。通过独立控制每个横模的色散，我们的方案提供了一种可行的途径，可以同步任意数量的模式并最大化能量提取。

我们相信，这种多模式时空动态控制的通用框架为下一代超快光源铺平了道路，有望在精密制造、非线性显微镜和阿秒科学领域取得重大应用。

来源：老钱的科学大讲堂