【通信工程学院】近日，吉林大学通信工程学院胡贵军教授团队在多模超快光纤激光与高阶色散孤子研究方面取得重要进展。研究团队首次在多模光纤激光器中实现了时空同步纯高偶数阶色散孤子。相关研究成果以“Spatiotemporally synchronized pure high-even-order dispersion solitons in multimode fiber lasers”为题发表于国际学术期刊《Nature Communications》。

超快光纤激光器是产生超短脉冲的重要技术平台，纯高阶偶次色散（PHEOD）孤子、多模时空动力学是超快光子学当前两大前沿方向。纯高偶数阶色散孤子通过Kerr非线性与四阶、六阶及更高偶数阶色散相平衡，具有更陡峭的能量—脉宽标度规律，为脉冲能量扩展提供了新的物理途径；与此同时，多模光纤引入横向空间自由度，可利用多个横模共同参与脉冲形成，并借助更大的有效模场面积缓解过强的非线性相位积累，为高能超短脉冲的产生提供新的能量扩展途径。然而，不同横模间的色散差异及空间重叠使高阶色散调控更加复杂，难以实现独立调控。因此，此前纯高偶数阶色散孤子的实验研究主要局限于单模系统，在多模光纤激光器中实现高偶数阶色散孤子一直存在显著技术壁垒，使得多模光纤内纯高阶偶次色散孤子的实验实现长期悬而未决。

针对这一难题，吉林大学通信工程学院胡贵军教授团队提出横模分路调控技术（图1），实现了对模间色散和色度色散的协同管理，并首次在多模光纤激光器中实现了时空同步的纯高偶数阶色散孤子，这些多模脉冲态通过横向模间的非线性耦合实现自发组织。数值模拟验证了主要实验观测结果，并揭示了激光器运行的非线性多模动力学机制。该研究位于纯高偶数阶色散孤子、多模孤子和时空锁模三个研究前沿的交叉方向，为发展多维结构化超快光源提供了新的实验平台。有望实现定制化时空波包以及具有特定时空轨道角动量的涡旋光束，为高能超快光源、多维光场调控和精密激光加工等领域提供新的技术路径。

图1基于横模分路调控技术的时空同步纯高偶数阶色散孤子光纤激光器系统及色散调控原理

为验证不同横模中纯高偶数阶色散孤子的形成，研究团队首先对各个横模进行了独立实验表征（图2）。在纯四阶、六阶和八阶色散条件下，不同横模的光谱均呈现出典型的共振边带，其边带频移与边带阶数满足相应高偶数阶色散孤子的理论关系，验证了不同横模中纯高偶数阶色散孤子的稳定形成。

图2不同横模中纯四阶、六阶和八阶色散孤子的实验表征

在此基础上，研究团队进一步实现了多横模同步运行。在纯四阶、六阶和八阶色散条件下，均观察到了稳定的多模脉冲输出（图3）。实验和数值模拟表明，不同横模中的孤子脉冲列在模间色散补偿和非线性相互作用的共同作用下发生自组织并实现时间同步。与单一横模运行相比，多模状态下伴随着光谱形状、边带强度和中心频率等特征的变化，反映出明显的模间非线性耦合作用。

图3纯四阶、六阶和八阶色散条件下时空同步多模孤子的实验表征

研究团队还对输出多模光场进行了横模解复用，并分别测量不同横模的脉冲序列、射频谱和光谱特性（图4）。结果显示，各横模均保持稳定的周期脉冲输出，在多模运行状态下，各横模的重复频率被拉近至约1 kHz范围内。进一步的模式分辨光谱分析表明，不同横模之间存在系统性的频移与非线性相互作用，揭示了多模同步状态形成过程中复杂的时空耦合动力学。

图4时空同步纯高偶数阶色散孤子的模式解复用实验表征

该论文第一作者为吉林大学通信工程学院博士研究生马文奇，通讯作者为吉林大学通信工程学院胡贵军教授，美国康奈尔大学Frank W. Wise教授参与该项研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金联合基金重点项目的资助。

论文全文链接：

10.1038/s41467‑026‑78194‑5