光纤激光器中偏振锁定的矢量孤子及多孤子脉冲输出的非线性调控

《Journal of Luminescence》：Nonlinear regulation of polarization-locked vector solitons and multi-soliton pulse output in fiber lasers

PtS微结构材料在锁模光纤激光器中实现多态孤子输出及新型锁模机制探索。采用液相剥离法制备PtS可饱和吸收器，构建40.05米全光纤环形腔，在271-351mW泵浦功率下稳定输出偏振锁定矢量孤子（PLVS），脉冲宽度785fs，信噪比60dB。通过调节泵浦功率观察到束缚态孤子（BSS）和二、三阶谐波锁模（HML），验证了PtS作为新型锁模材料的可行性。研究为超快光纤激光器提供了新材料方案和实验参考。

　　

王飞|赵英飞|王玉生|贾玉明|孙明志|何宇天|白彩迅|王国梅|张文飞|傅胜贵

山东工业大学物理与光电工程学院，淄博，255049，中国

摘要

偏振锁定矢量孤子（PLVS）是操控超快光子学中光场偏振和脉冲动态的基本载体。因此，精确调控PLVS对于推动激光技术向更高性能和多样化功能发展至关重要。然而，在锁模光纤激光器中，具有优异光学调制能力的微尺度三维（3D）材料仍大多未被探索。本研究首次报道了使用新型微尺度3D材料PtS来构建基于PtS的可饱和吸收体（PtS-SA）。当将其集成到掺铒光纤激光器（EDFL）中时，实现了常规孤子（CS）、束缚态孤子（BSS）和和谐模式锁定（HML）的稳定生成。CS的脉冲宽度为785 fs，并通过偏振分辨表征确认其为PLVS。这项工作证明了PtS作为新型锁模材料的可行性。此外，它提供了一种新的材料调控方法，用于灵活调控PLVS并生成多孤子脉冲输出。

引言

作为矢量孤子的基本类别，PLVS代表了光纤激光器中的典型非线性光学现象[1]。其核心特征是两个正交偏振分量之间的相对相位稳定锁定在±π/2[2]。这导致时间轮廓和偏振分布在整个传播过程中保持不变[2,3]。PLVS的形成本质上源于线性双折射和非线性双折射之间的动态平衡[4]。在双折射介质中，线性双折射导致两个正交偏振分量之间的相位速度不匹配[5,6]。自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）效应是产生非线性双折射的物理机制[7]。非线性双折射源于两个偏振分量的幅度不等，这些幅度由SPM和XPM的不同贡献决定[2]。它补偿了腔体的固有线性双折射，使得两个正交偏振分量之间的相位速度能够动态平衡[[1], [2], [3]]。同时，相干能量交换建立了一个负反馈机制[3]。这一机制与非保守效应（如激光增益和损耗）协同作用，抑制了腔内扰动，从而保证了PLVS的稳定存在[3,8]。理论上，PLVS的动态行为可以通过耦合非线性薛定谔方程（CNLSE）准确描述。该方程量化了双折射介质中两个正交偏振分量的线性耦合、色散和非线性相互作用[9,10]。在实际的光纤激光器中，只有当增益和损耗之间的动态平衡得以实现时，PLVS才能稳定存在[11]。这些机制共同构成了光纤激光器中PLVS存在和可控调控的理论基础。此外，线性模式耦合和模内时间位移可以实现异核和同核矢量孤子之间的可控切换，为矢量孤子状态的灵活操控提供了重要见解[12]。

2023年，李等人基于非线性光学环镜（NOLM）技术实现了偏振锁定类噪声矢量脉冲（PLNLVP）[13]。该方案中的NOLM提供了等效的可饱和吸收效应，而偏振控制器（PC）用于调节腔内双折射和偏振状态。这种组合实现了线性和非线性双折射之间的动态平衡。然而，NOLM依赖于较长的单模光纤段进行构建，使得腔体结构相对复杂。相比之下，SA方案具有显著优势。2015年，韩等人使用石墨烯作为EDFL中的SA，实现了多种PLVS的稳定输出[14]。2017年，云等人使用黑磷（BP）SA在近红外范围内生成了双波长PLVS，为宽带PLVS提供了实用解决方案[15]。在本研究中，我们采用了结构简单且可调谐性高的SA方案。这种方法提供了一种高效的技术途径，非常适合PLVS的稳定生成和实际应用。

迄今为止，各种2D材料如WS₂、Ti₃C₂T_x/CuO和SnTe已被验证为高性能的SA，用于超快脉冲生成[[16], [17], [18]]。虽然这些和其他层状材料（包括PtS₂）已经得到了广泛研究，但微尺度3D材料（如PtS）在锁模光纤激光器中的应用仍处于早期探索阶段。近年来，微尺度3D材料引起了广泛的研究兴趣。它们通常具有高表面载流子迁移率和高化学反应性。这些材料中丰富的悬挂键使其非常适合激光应用[19]。2014年，杨等人使用3D石墨烯作为SA实现了高质量的模式锁定操作[20]。2018年，孟等人利用3D拓扑狄拉克半导体Cd₃As₂在1.56?μm和1.96?μm实现了模式锁定操作[21]。作为微尺度3D材料的代表，PtS是一种相对稀有的矿物，通常以不规则晶体的形式存在。在可见光到近红外光谱范围内，PtS样品表现出出色的可饱和吸收特性，主要归因于共振电子非线性[19]。然而，迄今为止关于PtS带隙的报道仍然有限。Collins等人测量出PtS在标准压力下的电激活能为0.32?eV，在高压（30?kbar）下为0.19?eV[22]。1964年，Hulliger报告了PtS的光学带隙为0.8?eV[23]。此外，Nguyen-Manh等人利用TB-LMTO方法测得PtS的间接带隙为1.31?eV[24]。PtS相对较窄的带隙使其非常适合在1550?nm波长下工作。与新兴的MAX相[25,26]和纳米结构LNTO[27,28]相比，具有超快亚皮秒非线性响应的PtS更适合飞秒激光应用。因此，探索PtS的物理化学性质并研究其在光纤激光器中的调制具有重要意义。

在本研究中，通过液相剥离（LPE）方法制备了PtS分散体。利用光学沉积技术，在锥形光纤表面成功构建了适量的PtS-SA。构建了一个总腔长为40.05?m、净色散为?0.86 ps²的超快EDFL。系统研究了不同泵浦功率下的激光输出特性。实验结果表明，当泵浦功率在271-351?mW范围内时，激光能够输出稳定的PLVS。其3?dB光谱带宽为5.67?nm，信噪比（SNR）高达60?dB。随着泵浦功率的增加，激光表现出多样的非线性动态行为：在780?mW时观察到双孤子BSS；在1150?mW和1200?mW时分别实现了稳定的二阶和三阶HML输出。实验结果展示了微尺度3D材料PtS在被动模式锁定领域的巨大潜力。本研究为高性能超快光纤激光器的发展提供了新的材料选择和实验参考。

章节片段

可饱和吸收体的制备和表征

锥形光纤的独特结构提供了显著的特性，例如强烈的光-物质相互作用和强烈的衰减场效应。此外，锥形光纤芯的直径减小有助于沉积后PtS与激光光之间的相互作用。因此，在本工作中，通过将PtS沉积到锥形光纤上来制备SA。首先，准备了一段约50?cm长的单模光纤（SMF）。

基于PtS-SA的光纤激光系统

在本研究中，构建了一个全光纤环形腔的EDFL，如图3所示。使用最大输出功率为1.2?W的980?nm连续波激光二极管作为泵浦源。泵浦光通过980/1550?nm反射式波分复用器（WDM）耦合到环形腔中。为了实现锁模光纤激光器的最佳输出性能，

实验结果与讨论

在沉积PtS-SA之前，我们广泛调整了PC₁角度并改变了泵浦功率，但没有观察到光学孤子。因此排除了自模式锁定和Fabry-Perot腔效应。然后将激光输出功率调整到5?mW，并将PtS分散体沉积到锥形光纤芯区域。通过调节PC₁的角度并在较宽范围内调整泵浦功率，我们仔细观察是否产生了光学孤子。

结论

总之，本研究证实了微尺度3D PtS的强非线性光学调制能力。我们成功制备了调制深度为7.1%的PtS-SA。PtS-SA的集成使得激光能够生成脉冲宽度为785 fs、信噪比为60?dB的稳定PLVS。此外，系统展示了包括BSS和高达三阶的HML在内的多种多孤子动态。本研究实验性地揭示了基于3D材料PtS的矢量孤子调控机制。

注释

作者声明没有竞争性财务利益。

CRediT作者贡献声明

王飞：概念化、形式分析、撰写——原始草稿。赵英飞：数据管理。王玉生：可视化。贾玉明：数据管理。孙明志：软件。何宇天：数据管理。白彩迅：监督、撰写——审阅与编辑。王国梅：资金获取、监督、撰写——审阅与编辑。张文飞：资金获取、监督、撰写——审阅与编辑。傅胜贵：资金获取、项目管理、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

国家自然科学基金（12404383）；山东省自然科学基金（ZR2020MA087, ZR2020QA066, ZR2021QA050）；山东省属高校青年科学家科技创新项目（2024KJG011）。山东省生物物理学重点实验室，以及山东省属高校青年创新人才引进与培养计划。