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专家视点
超快科学建立在对光脉冲精确观测、调控的动态组合之上，几乎在每种锁模激光器中都可以观测到不断演化的脉冲群。然而，其背后的物理原理很少被控制或利用。在此，Julia A. Lang等人提出了一种控制双梳激光器谐振腔内孤子运动的一般方法以及超短脉冲模式的可编程合成。通过在掺铒光纤激光器内部引入单脉冲调制，使得两个时间上分离的孤子梳之间的时序快速移动，它们在腔外的叠加产生了超短孤子序列。基于实时光谱干涉测量，研究人员观察到由于超快非线性和激光增益动力学通过吸引力和排斥力的相互作用引起的孤子间距的确定性切换。此外，研究人员还展示了从纳秒到皮秒泵浦探测延迟和可编程自由孤子轨迹的高速全光合成，这一概念可能为新型全光延迟发生器铺平道路，以前所未有的高调谐、循环和采集速度进行超快测量。该工作发表在Science Advances上。
Julia A. Lang, Sarah R. Hutter, Alfred Leitenstorfer and Georg Herink, Controlling intracavity dual-comb soliton motion in a single-fiber laser. Science Advances 10: eadk2290 (2024).
或者，通过双梳激光光谱或异步光学采样，结合两个具有失谐重复率的激光振荡器的输出，在没有机械移动元件的情况下实现光学延迟快速扫描。基于定向、空间、偏振或频率复用的单腔双梳操作消除了对两个单独激光源的需求且可以大大降低整体复杂性。此外，与行进声波相互作用时可以产生两个失谐梳。然而，时间延迟在连续的往返行程中线性累积且始终扫过整个脉冲重复周期。因此，纳秒范围内的典型激光重复周期决定了较长的延迟窗口，并导致皮秒和飞秒范围内的超短间隔采集效率低下。电子控制光学采样提供了可调延迟窗口，但需要两个独立的激光源。在通过激光腔调谐进行光学采样和通过重复率交换进行并行外差干涉测量技术中，单个激光器的重复率变化在长光纤中累积，以在预定范围内产生快速扫描脉冲对。
研究人员通过利用激光本征孤子动力学来灵活合成具有可自由编程时间延迟的超短脉冲序列，通过在单个全光纤激光器中对两个来自交错频率梳的单个脉冲进行腔内调制来实现梳选择性孤子控制。在实验中，通过基于半导体可饱和吸收镜的掺铒光纤激光器的二次谐波锁模来生成两个时间延迟梳，此状态为通过增加泵浦功率自动获得。图1A显示了基于单向环形腔的双梳源。通过光纤耦合声光调制器引入腔内孤子控制，允许对零级光束进行强度调制，其速度够快，足以对单个脉冲进行调制。驱动射频信号与谐波锁模梳同步，声光调制器带宽高达200 MHz，允许调制窗口低至10 ns。在输出端，两个交错梳可通过可调非对称光纤Mach-Zehnder干涉仪组合来调整延迟。通过实时示波器，并结合用于纳秒级运动的直接光电探测（图1A中的光电二极管1）和用于皮秒级间隔的光谱干涉仪（图1A中的光电二极管2），将产生的相对孤子运动分解为单个往返行程。
首先，研究人员对一个频率梳（图1中的橙色脉冲）施加重复调制，并通过高速实时光电检测直接监测脉冲轨迹的演变。每帧（连续帧之间的延迟为520 μs）捕获五个连续脉冲，并由未调制的频率梳（图1中的紫色脉冲）触发。开始调制后，孤子迅速改变间距并达到新的稳定平衡间距，如图1B所示。关闭外部调制后，系统通过两个等距频率梳的驰豫回到谐波锁模状态。
孤子运动的整体演化由激光增益动力学引起的瞬态强度差所控制，鉴于增益不会在一个往返行程内完全恢复，饱和激光增益引入了多个孤子之间的长距离耦合。这种增益耗尽和恢复效应提供了谐波锁模机制：在等间隔处，两个梳获得相同的增益，达到相同的强度并以相同的群速度传播。脉冲选择性强度调制打破了这种平衡：降低的强度通过半导体可饱和吸收镜延迟脉冲。然而，对于增加的延迟，恢复增益完全补偿了在新的平衡间距处的连续调制器损耗。基于简化模型，研究人员评估了在激光增益动力学存在的情况下，由于半导体可饱和吸收镜和增益诱导重塑引起的脉冲偏移，并重现了观察到的相对孤子轨迹。研究人员在重复的往返行程中引入了一个频率梳调制，并在图2C中显示了孤子轨迹。与实验采集相对应，单个帧的快时间轴参考了未调制孤子。在激活调制后，第二个梳进一步延迟并接近新的稳定平衡。关闭调制后，谐波锁模状态被重新建立。
基于这些稳定和控制机制，可以利用动力学来合成可编程的、更复杂的自由形式孤子轨迹。图3展示了双调制的孤子间轨迹。在达到平衡间距之前，激活和停用调制时产生更快的锯齿形扫描运动（用虚线表示）。通过在振荡模式中改变调制的持续时间和间距(图3，顶部)，时间变化累积并产生轨迹的额外的整体谐波运动。
接着，生成紧密间隔的孤子对，并在低于直接光探测时间分辨率的100皮秒时间尺度下的超快孤子运动。实验中，研究人员使用基于光纤的Mach-Zehnder干涉仪分离激光输出，在一条臂中引入固定延迟，并在输出端重新组合两条臂，如图1A和4A所示。延迟一条臂会导致两个谐波锁模梳的精确时间重叠。通过基于时间拉伸色散傅立叶变换的实时光谱干涉测量，在单次激发水平上实现对间距的高分辨率测量。脉冲间距是通过提取傅立叶域中的调制峰从单次光谱干涉图中获得的。研究人员通过对频率梳施加强度调制来控制短程孤子运动，提取了单次干涉图中调制的峰值位置，并观察到脉冲间距的规则准线性扫描，如图4B-D所示。通过在固定调制强度下增加扫描频率，减小了扫描窗口的范围。在频率为1 kHz时，实现了间隔为12.5 ps的脉冲对的准线性扫描范围。原理验证过程中的扫描频率大大超过了机械延迟阶段，同时不需要长不对称延迟线，该表现与光学采样相媲美。在130 ps扫描范围内的60%范围内，线性运动的偏差保持在±2 ps以下。在两个扫描方向上均观察到此偏差，与调制器的作用无关。
在更长的观测时间内观察轨迹可以发现时间漂移，如图5A所示。利用时间拉伸色散傅里叶变换方法获得的自相关特征来表征两梳的相对运动。对光谱干涉图进行傅里叶变换后，侧峰产生相对延迟。由于电子器件的带宽有限，延迟增加使得线路的峰值幅度降低。
通过在单光纤激光腔内控制双梳孤子的运动，以实现孤子脉冲模式的可编程生成，在皮秒到纳秒延迟范围的进行脉冲对的切换和连续扫描。目前，该方法允许在1 kHz以上的频率下对多皮秒延迟进行全光扫描，适用于快速泵浦探测光谱。该研究通过时域数据深入了解了谐波锁模梳之间的时钟抖动，并展示了一种主动反馈方案，用于稳定扫描窗口以防止时间漂移。时钟抖动的分析及其如何通过激光设计来减少有待进一步研究。此外，研究人员还预见到一种有利的组合，即通过使用瞬时锁模机制来控制短时间尺度上的运动，并通过增益和自陡来减弱强度和群速度之间的耦合。从长远来看，单孤子的选择性腔内调制为探测多孤子相互作用提供了新策略，可适用于各种光纤和固态激光系统，并可能开辟一类新型的实时仪器。
研究人员简介
Julia A. Lang，德国拜罗伊特大学物理研究所助理研究员，研究方向为光学衍射极限、局域场、金属波导及超材料等。
E-mail: Julia.Lang@uni-bayreuth.de
Georg Herink，德国拜罗伊特大学物理研究所教授，研究方向为光学衍射极限、局域场、孤子分子及飞秒激光等。
E-mail: georg.herink@uni-bayreuth.de
