在激光技術領域，高功率、高穩定性超快光源的研發始終是科研與工業應用的核心目標。時空鎖模光纖激光器因在提升脈沖能量、探索多維非線性動力學方面具備獨特潛力，已成為近年來激光物理與光學工程領域的研究熱點；而其中由橫模與縱模同時鎖定形成的“三維孤子”，更被視為突破傳統單模激光器性能瓶頸的核心研究對象。然而，長期以來，科研界始終面臨一項關鍵難題——如何實現對三維孤子內部單個模式光譜特性的精準、實時表征。近日，華南師范大學、北京郵電大學與暨南大學的聯合研究團隊提出“時空色散傅里葉變換技術”，成功解決這一難題，相關成果已發表于國際權威期刊《Laser&PhotonicsReviews》，為時空鎖模光纖激光器的基礎研究與應用開發提供了全新技術支撐。

    一、三維孤子表征的傳統局限與技術挑戰
    三維孤子的模態特性直接決定時空鎖模光纖激光器的輸出性能，但其表征長期受限于測量技術與設備性能，傳統方法存在顯著不足，主要可分為兩類：
    1.空間采樣技術的固有缺陷
    空間采樣技術通過單模光纖探針實現光場空間采樣，雖能初步證實多橫模的鎖定狀態，并揭示三維孤子橫截面不同位置光場的頻率組成與功率分布差異，但無法實現對單個模式獨立光譜特性的區分。其核心局限在于：采樣過程需借助分光器進行多點同步采樣，通道數量受系統復雜度與成本限制；即便通過多散斑光譜時間技術以時分復用方式增加采樣通道，所得信號仍為多?；旌蠎B，模式組成、相對功率比及各模式頻率分布等關鍵信息會丟失，難以滿足精準表征需求。
    2.時空重構技術的應用限制
    時空重構技術（如延遲掃描離軸數字全息法）雖能實現單模表征，獲取三維孤子的模式組成與相對功率比，但測量過程復雜且無法實時觀測；其他衍生技術（如基于邁克耳孫干涉儀的全電場重建技術、壓縮超快光譜–時間攝影技術等）雖在理論上可用于單模分析，卻依賴復雜算法重構，且對波長敏感，僅適用于窄譜三維孤子，同時存在低重復頻率適配性差、長時間動態監測困難等問題。
    上述技術局限導致科研界難以深入解析三維孤子的形成機制，無法明確“三維孤子能量未顯著高于單模孤子”的核心原因，也制約了對模式調控與激光性能優化的探索，亟需一種簡單、實時、波長不敏感的單模分辨技術。

    二、時空色散傅里葉變換技術的原理與實驗設計
    聯合研究團隊的核心創新在于巧妙結合“模式色散”與“色度色散”的協同作用，構建時空色散傅里葉變換技術，實現三維孤子單個模式的高效表征。
    1.技術核心原理：雙色散協同的單模分辨機制
    該技術通過兩種色散的分步作用，實現“模式分離”與“光譜解碼”的一體化：
    模式色散主導的模式分離：選用15km長的雙模光纖（在1.0μm波段支持LP??基模與LP??一階橫模）作為色散介質。當三維孤子在其中傳播時，不同模式因模式色散產生時間差，隨傳播距離增加逐漸分離為互不重疊的模式脈沖，完成“多模→單模”的空間維度分離。
    色度色散主導的光譜映射：在模式分離基礎上，色度色散使每個模式脈沖內的不同頻率分量在時間軸上展開，實現“光譜→時間域”的映射。搭配12GHz帶寬的高速光電探測器與示波器，可直接捕捉每個模式的實時光譜，無需復雜算法重構，單次測量即可獲取單模完整光譜信息。
    該技術兼具模式分離的精準性與光譜觀測的實時性，且對波長不敏感，可適配寬譜三維孤子，有效彌補傳統技術的缺陷。
    2.實驗系統設計：雙系統協同的全面表征
    為確保測量的完整性與準確性，團隊設計兩套并行系統，實現“整體特性觀測”與“單模精細分析”的協同：
    常規測量系統：由光譜分析儀、示波器、射頻頻譜分析儀、自相關儀及CCD組成，用于獲取三維孤子的時域波形、頻域光譜、脈沖寬度及光斑形貌，為單模分析提供整體特性參考。
    單模分辨系統：以15km雙模光纖為核心色散介質，通過50:50光耦合器（OC3）分光，分別接入兩個高速光電探測器（PD1、PD2），同步測量脈沖列時域信號與各模式實時光譜，可追蹤孤子在激光腔內連續7個往返的模態演化，實現動態監測。

    三、三維孤子模態特性的實驗發現
    借助時空色散傅里葉變換技術，團隊對三維單孤子、多孤子及諧波孤子的模態特性展開系統研究，獲得多項突破性結論：
    1.單孤子的模式波長特性：效應平衡的直觀體現
    實驗發現，單孤子中LP??與LP??模式的峰值波長呈現兩種狀態，直接反映系統內多效應的平衡關系：
    波長一致狀態：當模式色散、非線性、可飽和吸收與空間濾波效應完全抵消時，無需額外色度色散即可實現穩定時空鎖模，兩種模式的峰值波長重疊。例如，中心波長為1050.43nm的單孤子中，LP??與LP??模式經15km雙模光纖傳播后，走離為43.67ns，且峰值波長完全一致，對應LP??與LP??模式峰值功率分別為5.03W與0.49W。
    波長差異狀態：若上述效應無法相互平衡，系統需通過調整模式峰值波長引入額外色散輔助鎖模，此時兩種模式波長存在差異。例如，泵浦功率為1.40W時，某單孤子LP??模式峰值波長長于LP??模式，差值約0.43nm，二者走離為39.56ns，峰值功率分別為6.61W與2.11W；實驗中亦觀測到LP??模式波長短于LP??模式的情況，具體差異方向取決于效應失衡的類型。
    此外，模式走離隨孤子中心波長呈規律性變化：當中心波長從1035.74nm增至1053.73nm時，LP??與LP??模式的走離從39.56ns增至44.85ns，直觀驗證了模式色散的波長依賴性。
    2.多孤子與諧波孤子的模態特性：一致性規律
    無論是由兩個孤子組成的“雙孤子”，還是等間隔排列的“二次諧波孤子”（重復率為基波整數倍），均呈現核心規律——不同孤子的相同模式，峰值波長完全一致：
    雙孤子案例：調整偏振控制器獲得的雙孤子中，脈沖1與脈沖2的LP??模式峰值波長相同，LP??模式亦是如此；即便單個孤子內部兩種模式存在波長差異（如差值0.18nm），不同孤子間的對應模式波長仍保持同步，且二者LP??模式峰值功率分別為4.73W與4.78W，LP??模式分別為0.52W與0.49W，功率比例高度一致。
    二次諧波孤子案例：通過調控泵浦功率與偏振控制器實現的24.75ns等間隔二次諧波孤子中，脈沖1與脈沖2的LP??模式走離均為40.39ns，相同模式的峰值波長完全一致，且單個孤子內模式波長差異（約0.18nm）在不同孤子間保持統一。
    這一規律表明，三維多孤子與諧波孤子極可能通過“脈沖分裂”機制形成——類似單模激光器中孤子因能量量子化分裂為多個相同孤子，三維多孤子由“母孤子”分裂產生，故繼承相同的模態特征。
    3.模式功率分布：基模的主導性
    所有實驗樣本中，LP??基模的峰值功率均顯著高于LP??模式：單孤子中LP??功率為LP??的36倍，雙孤子與諧波孤子中該比例約為810倍。這一現象源于時空鎖模激光器的固有特性——增益光纖對LP??模式的增益更高，且腔內空間濾波效應進一步強化基模的傳輸優勢，而非技術系統的測量偏差。

    四、技術價值與未來展望
    時空色散傅里葉變換技術的提出，不僅解決了三維孤子單模表征的核心難題，更在基礎研究與應用開發層面具備重要價值：
    1.技術優勢：相較于傳統方法的突破
    該技術具有三大核心優勢：一是操作簡便性，無需復雜空間掃描或算法重構，僅通過雙模光纖與常規光電設備即可實現；二是實時動態性，可追蹤孤子在腔內的往返演化，捕捉瞬態模態變化；三是波長普適性，突破窄譜限制，可適配寬譜三維孤子，適用范圍更廣。
    2.技術拓展方向：從雙模到多模的延伸
    團隊指出，該技術可進一步推廣至支持更多橫模的時空鎖模激光器：僅需將雙模光纖替換為與激光器輸出光纖匹配的多模光纖，即可研究多模耦合下的復雜非線性現象（如Kerr效應誘導的光束自清潔、Raman效應導致的模式轉換）。針對多模系統中可能出現的模式重疊問題，可結合空間光調制器或模式分解算法，實現更高維度的模式表征，為多模非線性光學研究提供新工具。
    3.應用前景：助力高功率超快光源研發
    在工業加工、光通信、生物成像等領域，高功率超快激光的需求日益迫切。該技術為時空鎖模激光器的性能優化提供關鍵支撐：通過精準調控模式組成與功率比，可突破三維孤子的能量瓶頸，開發更高功率、更穩定的超快光源；同時，其實時診斷能力可用于光通信中模式相關非線性效應的監測與控制，提升通信系統的穩定性與傳輸效率。

    時空色散傅里葉變換技術的提出與實驗驗證，為三維孤子的單模表征提供了全新范式，不僅深化了對時空鎖模光纖激光器中三維孤子形成機制的理解，更構建起“理論研究技術應用”的關鍵橋梁。隨著該技術在多模系統中的進一步拓展，其有望推動多模鎖模激光器的性能突破，為激光技術在高功率、高精度領域的應用開辟新空間，同時為多模非線性光學的基礎研究提供更高效的觀測手段。