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4.SelectedAdvancedTopicsofUltrafastOptics1.OpticalParametricAmplification2.Modelockingtechniques3.Pulseformationinfiberlaser:fromanomaloustonormaldispersionregime4.1.OpticalParametricAmplification超快激光技术发展的限制因素：由于激光器的增益材料有限，导致激光器的波长集中在特定的波段。可饱和吸收体对波长的选择特性导致锁模器件一般工作在特定波长。基于非线性光学效应，研究人员利用光参量振荡技术产生不同波长和宽度的超短脉冲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输入光经过分束后（为分束比）：经过光纤环传输以后：耦合器输出：两个端口的透过率：当增益g=0时，且a2+=0（隔离器的作用）Thecounterpropagatingfieldshavedifferentintensitiesandtherebyaccumulatedifferentphasesunderself-phasemodulation(SPM).Ultrafastoptics,p321Explanation光强度越大，非线性相移越大，透过率越大，可饱和吸收！不同波长在激光器中速度不同！系统与偏振态相关，可产生矢量孤子，损伤阈值高，成本较低4.2NonlinearpolarizationrotationConsideralinearlypolarizedpulsejustaftertheisolator.Thepolarizationcontroller(PC)placedaftertheisolatorchangesthepolarizationstatetoelliptical.ThepolarizationstateevolvesnonlinearlyduringpropagationofthepulsebecauseofSPM-andXPM-inducedphaseshiftsimposedontheorthogonallypolarizedcomponents.Thestateofpolarizationisnonuniformacrossthepulsebecauseoftheintensitydependenceofthenonlinearphaseshift.Thesecondpolarizationcontrollerisadjustedsuchthatitforcesthepolarizationtobelinearinthecentralpartofthepulse.Thepolarizingisolatorletsthecentralintensepartofthepulsepassbutblocks(absorbs)thelowintensitypulsewings.Thenetresultisthatthepulseisslightlyshortenedafteroneroundtripinsidetheringcavity,aneffectidenticaltothatproducedbyafastsaturableabsorber.Applicationsofnonlinearfiberopticsp236锁模依赖于偏振状态，稳定性较差，波长可调谐4.3SESAMSaturableabsorberMirror(a)(b)(a)SESAM结构示意图和(b)典型封装方式：裸片、粘附在散热基座、光纤尾端SESAM主要包括两部分，即半导体可饱和吸收体和反射镜。半导体对激光的吸收波长主要取决于材料能带中价带和导带之间的禁带宽度。当入射光子能量大于介质禁带宽度便可以实现载流子的复合跃迁，实现对特定波长的吸收。在可见光和红外波段，Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物具有较大的吸收，是制造半导体可饱和吸收体的理想材料。系统与偏振态无关，可产生矢量孤子，稳定性好，成本较高光谱自相关曲线EDF:18mD=-9ps/(nm.km)

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

β2=-0.01ps2由于色散和光纤双折射之间的平衡作用，矢量孤子两偏振分量具有不同的中心波长，而具有相同的群速度，称之为群速度锁定矢量孤子,也称solitontrapping。SESAM锁模(矢量孤子)OpticsLetters37,2619(2012).Graphene石墨烯结构示意图石墨烯能带结构图成本低，易于大规模生产，工作波长范围极大激光器结构图实验结果Carbonnanotube稳定性好，成本低，工作波长与碳纳米管直径、长度相关碳纳米结构示意图工作波长与碳纳米管直径和手性相关Topologicalinsulator插入损耗小，调制深度高，成本低，易于大规模生产将所制备的薄膜样品吸附在波片上，在环形光纤激光器中实现了传统孤子锁模MoS2WS2Sci.Rep.5,7965(2014).液相剥离法制备WS2纳米片两种WS2可饱和吸收体超短脉冲锁模利用液相剥离法制备了WS2纳米片，发现其在光通信波段具有可饱和吸收特性。进一步制备了两种基于WS2纳米片的锁模器件，研究了其可饱吸收特性。在负色散光纤激光器中实现了超短脉冲锁模。宽带WS2可饱和吸收体及耗散孤子锁模WS2宽带可饱和吸收特性1550nm耗散孤子锁模1064nm耗散孤子锁模SubmittedtoOptica进一步研究发现WS2纳米片具有宽带可饱和吸收特性，即在1064nm和1550nm处均表现出可饱和吸收特性。利用WS2纳米片作为锁模材料，在掺铒和掺镱光纤激光器中均实现了耗散孤子锁模。4.SelectedAdvancedTopicsofUltrafastOptics1.OpticalParametricAmplification2.Modelockingtechniques3.Pulseformationinfiberlaser:fromanomaloustonormaldispersionregime4.3.1传统孤子(Conventionalsoliton)负色散和光纤克尔非线性平衡时可产生传统孤子

特点：锁模稳定，易于实现负色散孤子啁啾为零，脉宽为飞秒量级传统孤子的能量受面积理论限制，一般小于0.1nJ。光脉冲能量较高时，将导致光波分裂。(a)N=1N=2(b)图(a)和(b)分别为基阶和2阶传统孤子在单模光纤中的演化。4.3.2展宽脉冲(Stretchedpulse)在腔内总色散近似为0的情况下进行色散管理可以产生展宽脉冲。脉冲在腔内得到周期性的展宽和压缩，有效降低了腔内脉冲的峰值功率和非线性相移的累积。获得的单脉冲能量可提高一个数量级以上

。其特点是：光谱宽、脉冲窄。典型的展宽脉冲光谱图及自相关曲线[Z.P.Sunetal.,NanoRes.3,404(2010).]展宽脉冲光纤激光器结构示意图4.3.3自相似脉冲(self-similarpulse)具有抛物线形状的脉冲在光纤正色散区域可以进行自相似演变。自相似脉冲在高功率下传播时，形状保持不变，因此具有抵御光波分裂的能力，可以实现更高能量脉冲输出。孤子是非线性薛定谔方程（NLSE）稳态解，展宽脉冲是其呼吸解，自相似脉冲是渐进解。F.O.Ildayetal.,Phys.Rev.Lett.,2004,92:213902F.W.Wiseetal.,LaserPhoton.Rev,2008,2:58

三维图所示为正色散增益介质中脉冲的自相似演化过程

典型的自相似脉冲光谱及波形脉冲在腔内的演化规律4.3.4耗散孤子(dissipativesoliton:DS)“耗散结构”由比利时物理学家、化学家Ilya.Prigogine提出，它是指“一个远离平衡状态的开放系统，由于不断和外界环境交换能量物质和熵而能继续维持平衡的结构”。N.Akhmedievetal.,

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