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4.SelectedAdvancedTopicsofUltrafastOptics1.OpticalParametricAmplification2.Modelockingtechniques3.Pulseformationinfiberlaser:fromanomaloustonormaldispersionregime4.1.OpticalParametricAmplification超快激光技術(shù)發(fā)展的限制因素：由于激光器的增益材料有限，導(dǎo)致激光器的波長集中在特定的波段?？娠柡臀阵w對波長的選擇特性導(dǎo)致鎖模器件一般工作在特定波長?；诜蔷€性光學(xué)效應(yīng)，研究人員利用光參量振蕩技術(shù)產(chǎn)生不同波長和寬度的超短脈沖MostoftheinputenergyissenttoaSHGstagetoyieldstrong（400-nmpumppulsesfortheOPAprocess）typicallywithsomemodesttemporalbroadeningduetogroupvelocitywalk-offintheSHGcrystal.Asmallamountoftheinputenergy,typicallyabout1μJ,isdirectedintoasetupthatbroadenstheinputspectrumintoanultrabroadbandwhitelightcontinuum,withspectralcontentthroughoutthevisibleregionandextendingintotheultravioletandinfrared.Theresultisanultrabroad-bandwidthsignalpulsethatservesasthesecondinputtotheOPA.Ultra-fastoptics,P249Thepumpandsignalpulsesareadjustedfortemporaloverlapanddirectedontoanonlinearcrystal,phase-matchedtoallowparametricamplificationofthesignal.Asaresult,thesignalpulsecanbeamplifiedintothemicrojoulerangewhilemaintainingabandwidththatfarexceedsthatavailablefromtheinputfemtosecondlaser/amplifier.Bycompensatingthechirporiginatingdispersiveelements,suchpulseshavebeencompressedtodurationsbelowabout5fs.4.SelectedAdvancedTopicsofUltrafastOptics1.OpticalParametricAmplification2.Modelockingtechniques3.Pulseformationinfiberlaser:fromanomaloustonormaldispersionregime4.1Nonlinearopticalloopmirror輸入光經(jīng)過分束后（為分束比）：經(jīng)過光纖環(huán)傳輸以后：耦合器輸出：兩個(gè)端口的透過率：當(dāng)增益g=0時(shí)，且a2+=0（隔離器的作用）Thecounterpropagatingfieldshavedifferentintensitiesandtherebyaccumulatedifferentphasesunderself-phasemodulation(SPM).Ultrafastoptics,p321Explanation光強(qiáng)度越大，非線性相移越大，透過率越大，可飽和吸收！不同波長在激光器中速度不同！系統(tǒng)與偏振態(tài)相關(guān)，可產(chǎn)生矢量孤子，損傷閾值高，成本較低4.2NonlinearpolarizationrotationConsideralinearlypolarizedpulsejustaftertheisolator.Thepolarizationcontroller(PC)placedaftertheisolatorchangesthepolarizationstatetoelliptical.ThepolarizationstateevolvesnonlinearlyduringpropagationofthepulsebecauseofSPM-andXPM-inducedphaseshiftsimposedontheorthogonallypolarizedcomponents.Thestateofpolarizationisnonuniformacrossthepulsebecauseoftheintensitydependenceofthenonlinearphaseshift.Thesecondpolarizationcontrollerisadjustedsuchthatitforcesthepolarizationtobelinearinthecentralpartofthepulse.Thepolarizingisolatorletsthecentralintensepartofthepulsepassbutblocks(absorbs)thelowintensitypulsewings.Thenetresultisthatthepulseisslightlyshortenedafteroneroundtripinsidetheringcavity,aneffectidenticaltothatproducedbyafastsaturableabsorber.Applicationsofnonlinearfiberopticsp236鎖模依賴于偏振狀態(tài)，穩(wěn)定性較差，波長可調(diào)諧4.3SESAMSaturableabsorberMirror(a)(b)(a)SESAM結(jié)構(gòu)示意圖和(b)典型封裝方式：裸片、粘附在散熱基座、光纖尾端SESAM主要包括兩部分，即半導(dǎo)體可飽和吸收體和反射鏡。半導(dǎo)體對激光的吸收波長主要取決于材料能帶中價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度。當(dāng)入射光子能量大于介質(zhì)禁帶寬度便可以實(shí)現(xiàn)載流子的復(fù)合躍遷，實(shí)現(xiàn)對特定波長的吸收。在可見光和紅外波段，Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物具有較大的吸收，是制造半導(dǎo)體可飽和吸收體的理想材料。系統(tǒng)與偏振態(tài)無關(guān)，可產(chǎn)生矢量孤子，穩(wěn)定性好，成本較高光譜自相關(guān)曲線EDF:18mD=-9ps/(nm.km)

SMF:7.5mD=17ps/(nm.km)

β2=-0.01ps2由于色散和光纖雙折射之間的平衡作用，矢量孤子兩偏振分量具有不同的中心波長，而具有相同的群速度，稱之為群速度鎖定矢量孤子,也稱solitontrapping。SESAM鎖模(矢量孤子)OpticsLetters37,2619(2012).Graphene石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖石墨烯能帶結(jié)構(gòu)圖成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)，工作波長范圍極大激光器結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果Carbonnanotube穩(wěn)定性好，成本低，工作波長與碳納米管直徑、長度相關(guān)碳納米結(jié)構(gòu)示意圖工作波長與碳納米管直徑和手性相關(guān)Topologicalinsulator插入損耗小，調(diào)制深度高，成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)將所制備的薄膜樣品吸附在波片上，在環(huán)形光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)孤子鎖模MoS2WS2Sci.Rep.5,7965(2014).液相剝離法制備WS2納米片兩種WS2可飽和吸收體超短脈沖鎖模利用液相剝離法制備了WS2納米片，發(fā)現(xiàn)其在光通信波段具有可飽和吸收特性。進(jìn)一步制備了兩種基于WS2納米片的鎖模器件，研究了其可飽吸收特性。在負(fù)色散光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了超短脈沖鎖模。寬帶WS2可飽和吸收體及耗散孤子鎖模WS2寬帶可飽和吸收特性1550nm耗散孤子鎖模1064nm耗散孤子鎖模SubmittedtoOptica進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)WS2納米片具有寬帶可飽和吸收特性，即在1064nm和1550nm處均表現(xiàn)出可飽和吸收特性。利用WS2納米片作為鎖模材料，在摻鉺和摻鐿光纖激光器中均實(shí)現(xiàn)了耗散孤子鎖模。4.SelectedAdvancedTopicsofUltrafastOptics1.OpticalParametricAmplification2.Modelockingtechniques3.Pulseformationinfiberlaser:fromanomaloustonormaldispersionregime4.3.1傳統(tǒng)孤子(Conventionalsoliton)負(fù)色散和光纖克爾非線性平衡時(shí)可產(chǎn)生傳統(tǒng)孤子

特點(diǎn)：鎖模穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)負(fù)色散孤子啁啾為零，脈寬為飛秒量級傳統(tǒng)孤子的能量受面積理論限制，一般小于0.1nJ。光脈沖能量較高時(shí)，將導(dǎo)致光波分裂。(a)N=1N=2(b)圖(a)和(b)分別為基階和2階傳統(tǒng)孤子在單模光纖中的演化。4.3.2展寬脈沖(Stretchedpulse)在腔內(nèi)總色散近似為0的情況下進(jìn)行色散管理可以產(chǎn)生展寬脈沖。脈沖在腔內(nèi)得到周期性的展寬和壓縮，有效降低了腔內(nèi)脈沖的峰值功率和非線性相移的累積。獲得的單脈沖能量可提高一個(gè)數(shù)量級以上

。其特點(diǎn)是：光譜寬、脈沖窄。典型的展寬脈沖光譜圖及自相關(guān)曲線[Z.P.Sunetal.,NanoRes.3,404(2010).]展寬脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖4.3.3自相似脈沖(self-similarpulse)具有拋物線形狀的脈沖在光纖正色散區(qū)域可以進(jìn)行自相似演變。自相似脈沖在高功率下傳播時(shí)，形狀保持不變，因此具有抵御光波分裂的能力，可以實(shí)現(xiàn)更高能量脈沖輸出。孤子是非線性薛定諤方程（NLSE）穩(wěn)態(tài)解，展寬脈沖是其呼吸解，自相似脈沖是漸進(jìn)解。F.O.Ildayetal.,Phys.Rev.Lett.,2004,92:213902F.W.Wiseetal.,LaserPhoton.Rev,2008,2:58

三維圖所示為正色散增益介質(zhì)中脈沖的自相似演化過程

典型的自相似脈沖光譜及波形脈沖在腔內(nèi)的演化規(guī)律4.3.4耗散孤子(dissipativesoliton:DS)“耗散結(jié)構(gòu)”由比利時(shí)物理學(xué)家、化學(xué)家Ilya.Prigogine提出，它是指“一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開放系統(tǒng)，由于不斷和外界環(huán)境交換能量物質(zhì)和熵而能繼續(xù)維持平衡的結(jié)構(gòu)”。N.Akhmedievetal.,

Phys.Lett.A364,413(2007)N.N.Rozanov,J.Opt.Technol.76,187(2009)F.W.Wiseetal.,LaserPhoton.R