原创 长光所Light中心 中国光学
撰稿 | 何泊衢 博士（华东师范大学）

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导读
克尔谐振器是一种结构很简单，却能产生很复杂的非线性现象的光学系统。应用前景在于超快飞秒脉冲和光学频率梳的产生，其中光学频率梳在精密光谱、频率合成、精准测距、阿秒脉冲产生甚至天文光谱校准方面都有重要的应用。然而，相对于传统的锁模光纤激光器，克尔谐振器的相关研究尚浅，一些关键技术参数不如前者，有待科学工作者去开拓创新，技术突破。

近日，Physical Review Letters期刊以“Stretched-Pulse Soliton Kerr Resonators”为题报道了一种基于展宽脉冲孤子的色散管理光纤克尔谐振器（如图一所示），可以产生210fs的脉冲，是同类型光源迄今为止产生最短的脉冲。

这项工作由美国三大光学中心之一罗彻斯特大学（University of Rochester）的光学研究所教授William H. Renninge团队完成，Xue Dong是第一作者和通讯作者。

图1 展宽脉冲孤子光源
图源：University of Rochester

02
背景介绍
强有力的通用激光光源一直是学术界和产业界的关注焦点，同时也与我们日常生活息息相关。小到手机logo的激光打标，大到5G时代的光通信，近到钢材钢板的激光切割，远到北斗上的时间频率标准设备，都离不开激光光源。

传统激光光源可以是固体激光器、半导体激光器以及光纤激光器等等。众所周知，新的技术出现往往意味着新的可能性，新的探索边界意味着迷雾之外的广阔天地。克尔谐振器就是一种产生超快激光的新技术。

克尔谐振器，通过连续激光器泵浦，通过参量频率转换产生宽带的腔内模式。通过建立腔内模式的相位稳定关系以及时间相干性，克尔谐振器可以产生锁模脉冲。

克尔谐振器作为激光光源而言，相对于光纤激光器，理论上可以产生任意波长和重复频率的激光脉冲，不受增益介质的限制。这是最吸引研究者的地方。然而，未来是光明的，道路是崎岖的。对于光纤克尔谐振器的研究尚少，很多问题有待厘清。例如，用于锁模激光器中的高级技术，如色散管理，能否用于克尔谐振器？

03
创新研究
针对以上问题，罗彻斯特大学的Xue Dong等人进行了相关研究。具体的实验装置图如图2所示。

脉冲在一个振荡器或者激光器中形成，是腔内群速度色散和克尔非线性相位达到平衡的一个结果。对腔内色散人为地进行管理，当腔内色散接近零，此时可以形成展宽脉冲，有利于产生很短的飞秒脉冲。具体来说，脉冲受到正色散的影响会展宽，受到负色散的影响会压缩。在一个色散精细设计的腔内，脉冲在腔内运行的时候，会展宽而又压缩，在一次腔内循环中两次到达傅里叶变换极限的脉宽。

文章创新之处在于通过数值模拟以及实验验证，表明色散管理技术可以用于光纤克尔谐振器，产生超短脉冲，最短可以到210fs。脉冲展宽和压缩的比值可以到3：1。对于脉冲的时域和频域进行测量，形状是高斯型，也应证了处于展宽脉冲机制。傅里叶变换受限的脉冲宽度强烈依赖于腔内总色散和驱动功率。

图2 展宽脉冲克尔谐振器的实验装置图
图源：Phys. Rev. Lett. 125，033902（2020）（Fig.2）

04
应用与展望
受益于光纤优秀的热管理能力、单模运行、低波导损失以及商业化的高质量器件，光纤克尔谐振器有望在全光学缓存、长距离相互作用、空间时间不稳定性等方面得到技术拓展。展宽脉冲的克尔光纤谐振器，也给无波长依赖的超快光纤光源，提供了一种新的技术路线。同时也给微环谐振器和体增强谐振腔相关技术转移带来新的希望。让我们对未来拭目以待。
文章信息
相关成果以Stretched-Pulse Soliton Kerr Resonators为题，发表在 Physical Review Letters 。
论文地址：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.033902