作者： Yan

莫比乌斯环光纤激光器

前段时间我们发表了一个比较有趣的工作：

Sha Li, Xin Zeng, Jiaqi Zhou, Zhi Cheng, and Yan Feng, “Polarization and longitudinal modes of Möbius fiber ring lasers,” Optica 9, 1394–1400 (2022).

莫比乌斯环（Möbius strip）是一种特殊的拓扑结构，有些有趣的性质。它只有一个面（表面）和一个边界。演示起来也很方便，只要把一条纸带两边扭转180°粘起来，就做好了。

做成下面这样子，就可以有很多美好想象了。

这样的结构，近些年来在光学研究领域也得到关注。莫比乌斯环的谐振腔会是怎么样的呢？目前已有一些文献研究了莫比乌斯环结构的微腔，它们表现出有别于寻常微腔的特性。要理解其性质，还有必要了解另一个概念：几何相位，或者叫贝里相位。

光在莫比乌斯环中传播，除了常规的“动态相位”之外，还有几何相关的相位，也称为“贝里相位”。这额外的相位因子会改变腔谐振波长的整数倍条件。

利用我们论文中这个公式稍作解释。其中beta为传播常数，L为环的长度，q是谐振要求的整数，phi是几何相位。如果没有phi（等于零），就是我们在激光物理中熟悉的公式，腔长为谐振波长的整数倍。由于有非零的phi，可以预见纵模的频率会偏离qc/nL。

研究莫比乌斯环微腔自然是有趣的，但是需要复杂的高精度工艺，我们不具备条件。但是，利用光纤搭建莫比乌斯环形腔甚至激光器都非常方便。将保偏光纤两端偏振轴扭转180°后熔接在一起，就可以形成莫比乌斯环环形腔了。

如果是做光纤光学或激光研究的同学，会明白在实验中实际很难区分保偏光纤的0°和180°熔接，所以莫比乌斯环光纤激光器很可能已经被大家被无意中搭建了。但是两者之间到底有什么不同？也即常规与莫比乌斯环形光纤激光器的输出特性差异？是个有趣的问题，可以加深对常见环形光纤激光器的理解。

另外，在90°扭转熔接的保偏光纤环中，沿某一偏振轴传播的光脉冲，在围绕环两圈后才能回到初始的偏振，从偏振行为上可视为一种“类莫比乌斯环”。

我们的论文就是研究了这样的扭转环形光纤激光器的偏振和纵模特性。

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首先建立了基于琼斯矩阵的理论模型，求解了任意扭转角度的保偏光纤环形腔的本征偏振态和纵模。理论分析表明光纤轴的扭转会导致本征偏振态杂化，同时带来几何相关的相移，也即贝里相位，并进一步引起纵模的频移。

对两种莫比乌斯环（180°和90°扭转）的情况进行了详细分析。180°情况下，由于π贝里相位的引入，导致纵模频率平移1/2个自由光谱区。90°情况下，贝里相位为π/2，此时两个本征偏振态为沿光纤演变的椭圆偏振，其纵模频率分别平移1/4个自由光谱区，相对频移1/2个自由光谱区。

实验上搭建了90°扭转的莫比乌斯环光纤激光器，对激光输出进行了偏振与纵模拍频谱测量，验证了理论预测。实验中，观察到因偏振依赖腔内损耗、熔接角度偏移等因素带来的独特现象，并进行了详细的分析。该项工作首次开展了莫比乌斯环光纤激光器研究，为莫比乌斯环结构的激光器研究提供了便捷的平台，也为光纤激光器及其应用开拓了新的方向。同时也是首次将几何相位与拓扑等概念引入光纤激光器研究。

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上述是较正式的介绍，详细的内容与结果还是要看论文原文的。

标签激光物理, 莫比乌斯环

研究进展

在9字腔锁模光纤激光器中观察到稳定的周期倍增现象，并对其进行了深入的分析，解释了其背后的物理机制。根据实验观察，提出了一个简化的迭代模型，证明脉冲周期倍增是由等效可饱和吸收体过调制导致的，与脉冲形成机制无关。通过基于金兹堡-朗道方程和分步傅里叶法的数值模拟，清楚地表明随着分叉级数的增加，每个混沌分叉点之间的距离之比在不断趋近费根鲍姆常数。该结果与经典混沌理论相符，有力地表证明了这样的激光器设计可以成为研究分叉现象和混沌理论的可靠超快光学平台。

Jiaqi Zhou, Weiwei Pan, and Yan Feng, “Period multiplication in mode-locked figure-of-9 fiber lasers,” Opt. Express 28, 17424-17433 (2020).

标签 9字腔, 分叉, 周期倍增, 混沌, 费根鲍姆常数, 锁模光纤激光器

研究进展

金刚石钠导星激光器

很久以前，就考虑采用金刚石拉曼激光器来产生钠导星激光器。但是，由于CVD金刚石难以获取，一直没有机会。近两年，我们与澳大利亚麦考瑞大学Mildren教授课题组合作开展了光纤激光泵浦的金刚石拉曼激光器研究，其中一项重要目标是实现589nm的高功率钠导星激光输出。近期，在联合培养博士生杨学宗的努力下，取得了突破性进展，结果发表于OL上：

Xuezong Yang, Ondrej Kitzler, David J. Spence, Zhenxu Bai, Yan Feng, and Richard P. Mildren, “Diamond sodium guide star laser,” Opt. Lett. 45, 1898-1901 (2020)

采用窄线宽的1018nm掺镱光纤激光泵浦CVD金刚石，产生1178nm拉曼激光，LBO腔内倍频，获得了最大22W的589nm激光输出。总的光光（976nm至589nm）效率达18.6%，为现有钠导星激光技术中最高。

该工作开启了一种新的钠导星激光技术。

标签拉曼激光器, 金刚石激光器, 钠导星激光器

研究进展

高功率单频780nm激光器，用于量子信息技术

铷原子是量子信息技术中广泛应用的物理介质。对它的操控，包括冷却，需要高光束质量的单频780nm激光。对于像大型原子干涉仪等先进量子技术应用，需要高功率（数十瓦）的780nm激光。

近期，我们小组在这个方向上做了一点工作，基于我们在高功率拉曼光纤激光器和高效率倍频方面的研究基础。研制了一台高功率的1480nm拉曼光纤激光器，用它来同带泵浦掺铒光纤放大器，实现了高功率高效率的1560nm单频激光放大。由于增益光纤很短，受激布里渊散射得到抑制，获得了50W的单频1560nm激光。采用 MgO:PPLN 晶体倍频后，获得了21.2W的连续波单频780nm激光。结果发表于Optics Letters:
J. Dong, X. Zeng, S. Cui, J. Zhou, and Y. Feng, “More than 20 W fiber-based continuous-wave single frequency laser at 780 nm,” Opt. Express 27(24), 35362 (2019).

这个工作很好地结合了我们小组的技术特色，高功率拉曼光纤激光器、高功率单频光纤放大器，和高效率倍频。

标签倍频, 单频光纤放大器, 原子干涉仪, 同带泵浦, 拉曼光纤激光器, 量子技术, 铷原子

科普

激光干涉引力波探测器——人类的宇宙助听器

LIGO报道了另一个引力波信号。

想起来，上个月为《物理》杂志写的LIGO的光学和激光技术的科普论文已经出版了。”激光干涉引力波探测器——人类的宇宙助听器,” 物理 45, 293–299 (2016).

激光引力波探测器，对我来说，就像激光导引星一样，是我关注的激光在天文领域的应用。

标签 LIGO, 引力波

媒体报导研究进展

千瓦级拉曼光纤激光器

近些年来，高功率光纤激光器发展迅速。1 μm波段的掺镱光纤激光器，近衍射极限输出功率可达20 kW，多横模输出功率可达100 kW。尽管如此，稀土掺杂光纤激光器的输出波长，因稀土离子能级跃迁的限制，仅能覆盖有限的光谱范围，限制了其应用领域。基于光纤中受激拉曼散射效应的拉曼光纤激光器是拓展光纤激光器波长范围的有效手段。

我们最近提出了一种镱-拉曼集成的光纤放大器结构，有效地解决了拉曼光纤激光器功率提升的主要技术瓶颈问题。在一般的高功率掺镱光纤放大器中注入两个或多个波长的种子激光，波长间隔对应光纤的拉曼频移量。处于镱离子增益带宽中心的种子激光率先获得放大后，在后续光纤中作为泵浦激光对拉曼斯托克斯激光进行逐级放大。初步的演示实验获得了300 W的1120 nm拉曼光纤激光输出；接着采用较大包层（400 μm）的光纤，获得了580 W的单横模线偏振拉曼光纤激光和1.3 kW的近单模拉曼光纤激光输出。结果发表于Optics Letters和Optics Express [Opt. Lett. 39, 1933-1936 (2014); Opt. Express 22, 18483 (2014)]。

鉴于目前高功率掺镱光纤激光器均采用主振放大结构，新提出的光纤放大器结构可用于进一步提升拉曼光纤激光的输出功率。初步的数值计算也表明，该技术方法有望在1～2 μm范围内任意波长获得千瓦级激光输出。