超短脉冲激光器在精密加工、智能传感、和医疗医美等领域有着广泛的应用潜力。目前，基于半导体光开关的被动锁模技术是产生超短光脉冲最成熟的方案。 “9字腔”激光器（Figure-9 laser）是一种新兴的被动锁模技术，因其低噪声、高稳定性等特点而受到了广泛的关注和研究。Figure-9锁模激光器一般需要加入偏振控制器件（如波片）来实现对输出状态的调控和优化。然而，由两个波片的旋转角度构成的参数空间包含了巨大的数据量，因此Figure-9激光器的优化还处于受实验经验指导的阶段。
受“智能锁模”概念的启发，课题组提出并实现了一种自动控制、自动收集和自动判断Figure-9激光器输出状态的方法。得益于这种高速、完整表征技术，我们第一次对Figure-9激光器进行了参数空间输出状态的完整扫描。激光器的输出状态被自动判定为锁模、调Q和连续波三种状态，锁模区域的出现呈现出了明显的规律性（如图1b）。我们使用琼斯矩阵对所有锁模区域进行了分析，发现锁模区域可以被分为工作点位于正相移和负相移区域两种类别，并随着QWP角度的变化交替出现。通过琼斯矩阵计算，支持锁模状态的腔透射曲线构成的带状区域可以被清晰地提取出来（如图1c）。有趣的是，当激光器的结构参数被人为改变时，我们发现锁模热区的模式也呈现规律性的变化。如改变光纤环长度以破坏其谐振腔对称性时，激光器只能在正相移区间出现锁模工作点（如图1d）。 该工作能够快速、完整地揭示Figure-9输出状态在整个参数空间中的演化规律，是一种基于“图像识别”的Figure-9激光器优化新方法。相关成果以Probing the mode-locking pattern in the parameter space of a Figure-9 laser发表于光学领域知名期刊《Optics Letters》（Opt. Lett. 47, 2606, [2022]）。
图1. (a) 实验装置示意图；(b) 高对称性腔型全参数空间中的输出状态图；(c) 正、负相移状态下，支持锁模状态的腔透射曲线；(d) 低对称性腔型全参数空间中的输出状态图。
随后，为了判断不同锁模热区是否具有等效性，我们进一步对锁模状态的回滞动力学（hysteresis dynamics）进行了深入研究。为此，我们选择了一个低对称性Figure-9腔型，对参数空间的一个最小重复单元所包含的四个锁模区域（如图 2a）进行回滞特性的完整表征。实验发现，不同锁模区域的回滞特性并不相同，我们进而通过加入色散控制，观察到了回滞动力学与腔内色散的明显而确切的关联关系（如图 2b），这也是被动锁模激光器回滞特性与激光器的基本参数关联规律的首次报道。为了进一步丰富该种基于图像识别的锁模激光器制造方法，我们引入了一种三维堆叠图对不同单脉冲参数点的锁模状态的回滞特性进行了直观的分析，并提出了一种基于回滞动力学的锁模状态评价方法（如图 2c）。该方法可以与现有的“智能锁模”评价机制结合，成为评价锁模状态的一个新的维度。相关成果以On hysteresis of a passively mode-locked fiber laser: effects from cavity dispersion发表于光学领域知名期刊《Optics Letters》（Opt. Lett. 47, 5668, [2022]）。
图2. (a) 低对称性腔型参数空间最小重复单元的锁模图像；(b)不同色散腔型中，同一锁模区域的回滞特性；(d) 一个锁模区域中不同单脉冲锁模点的回滞特性和打分评价。
电子学院博士生李嘉禾同学为两篇Optics Letters论文的第一作者，王枫秋教授为论文通讯作者。该工作受到科技部重点研发计划和自然科学基金委面上项目的资助。
