4.SelectedAdvancedTopicsofUltrafastOptics1.OpticalParametricAmplification2.Modelockingtechniques3.Pulseformationinfiberlaser:fromanomaloustonormaldispersionregime4.1.OpticalParametricAmplification超快激光技術發展的限制因素：由于激光器的增益材料有限，導致激光器的波長集中在特定的波段。可飽和吸收體對波長的選擇特性導致鎖模器件一般工作在特定波長。基于非線性光學效應，研究人員利用光參量振蕩技術產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輸入光經過分束后（為分束比）：經過光纖環傳輸以后：耦合器輸出：兩個端口的透過率：當增益g=0時，且a2+=0（隔離器的作用）Thecounterpropagatingfieldshavedifferentintensitiesandtherebyaccumulatedifferentphasesunderself-phasemodulation(SPM).Ultrafastoptics,p321Explanation光強度越大，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！系統與偏振態相關，可產生矢量孤子，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，穩定性較差，波長可調諧4.3SESAMSaturableabsorberMirror(a)(b)(a)SESAM結構示意圖和(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，即半導體可飽和吸收體和反射鏡。半導體對激光的吸收波長主要取決于材料能帶中價帶和導帶之間的禁帶寬度。當入射光子能量大于介質禁帶寬度便可以實現載流子的復合躍遷，實現對特定波長的吸收。在可見光和紅外波段，Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物具有較大的吸收，是制造半導體可飽和吸收體的理想材料。系統與偏振態無關，可產生矢量孤子，穩定性好，成本較高光譜自相關曲線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石墨烯結構示意圖石墨烯能帶結構圖成本低，易于大規模生產，工作波長范圍極大激光器結構圖實驗結果Carbonnanotube穩定性好，成本低，工作波長與碳納米管直徑、長度相關碳納米結構示意圖工作波長與碳納米管直徑和手性相關Topologicalinsulator插入損耗小，調制深度高，成本低，易于大規模生產將所制備的薄膜樣品吸附在波片上，在環形光纖激光器中實現了傳統孤子鎖模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，發現其在光通信波段具有可飽和吸收特性。進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。在負色散光纖激光器中實現了超短脈沖鎖模。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進一步研究發現WS2納米片具有寬帶可飽和吸收特性，即在1064nm和1550nm處均表現出可飽和吸收特性。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現了耗散孤子鎖模。4.SelectedAdvancedTopicsofUltrafastOptics1.OpticalParametricAmplification2.Modelockingtechniques3.Pulseformationinfiberlaser:fromanomaloustonormaldispersionregime4.3.1傳統孤子(Conventionalsoliton)負色散和光纖克爾非線性平衡時可產生傳統孤子

特點：鎖模穩定，易于實現負色散孤子啁啾為零，脈寬為飛秒量級傳統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，將導致光波分裂。(a)N=1N=2(b)圖(a)和(b)分別為基階和2階傳統孤子在單模光纖中的演化。4.3.2展寬脈沖(Stretchedpulse)在腔內總色散近似為0的情況下進行色散管理可以產生展寬脈沖。脈沖在腔內得到周期性的展寬和壓縮，有效降低了腔內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數量級以上

。其特點是：光譜寬、脈沖窄。典型的展寬脈沖光譜圖及自相關曲線[Z.P.Sunetal.,NanoRes.3,404(2010).]展寬脈沖光纖激光器結構示意圖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域可以進行自相似演變。自相似脈沖在高功率下傳播時，形狀保持不變，因此具有抵御光波分裂的能力，可以實現更高能量脈沖輸出。孤子是非線性薛定諤方程（NLSE）穩態解，展寬脈沖是其呼吸解，自相似脈沖是漸進解。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的演化規律4.3.4耗散孤子(dissipativesoliton:DS)“耗散結構”由比利時物理學家、化學家Ilya.Prigogine提出，它是指“一個遠離平衡狀態的開放系統，由于不斷和外界環境交換能量物質和熵而能繼續維持平衡的結構”。N.Akhmedievetal.,

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