多模光纤激光器正在成为研究非线性时空物理的重要实验平台，其潜在的应用范围包括高能脉冲产生、精密测量和非线性显微镜。在非线性多模谐振器中，超短脉冲可理解为时空耗散孤子(STDS)，其产生机制是时空模式锁定(STML)，时空模式同时同步。在这篇综述文章中，作者首先介绍了STML的一般原理，并着重介绍了具有大多模色散的STML动力学。然后介绍了STML的最新进展，包括STML的测量技术、STDS的奇异非线性动力学和MMF激光器的模场工程，并且已有工作验证了从MMF激光器获得高功率、高质量光束轮廓超短脉冲的可能性，全光纤设计提供了一个可行的解决方案，以降低损耗和增加输出功率。

STML光纤激光器作为一种新型的非线性系统和超快科学实验平台，扩展了耗散孤子物理领域，受到越来越多的关注。作者认为，凭借STML光纤激光器可以观测到更多奇异的时空现象，并利用这些现象来构建具有前所未有的空间复杂性的超快激光器。所有这些进展都有助于揭示具有中等非线性的松散约束波导的光行为和物理。在实际应用中，由MMF激光器产生的工程空间模式的STDS可用于微加工、非线性显微镜、光学镊子等领域。

图 1 多模光纤激光器中时空锁模(STML)和时空耗散孤子(stds)的概念示意图。a.SMF激光器和MMF激光器中耗散孤子形成的原理图。b.典型的STML MMF激光布局图。c.随着模间色散增加，三种机制的脉冲反应示意图。

图 2 在MMF激光中产生STDS。a.模拟模态脉冲，并比较了理论和实验的空间光束轮廓.b左上图:吸引子解剖理论说明。c.基于GRIN和STIN MMF的光纤激光器中脉冲时空传播的比较。d模拟了具有大跨模色散增益光纤的MMF激光器中的std动态特性。e.所有STIN MMF激光中moal脉冲中心位置的腔内变化。

图 3 时空耗散孤子(STDS)的表征方法。a.用相关滤波法(CFM)对多模输出光束U(x, y)进行模态分解。b.用于模态分解实验结果的干涉型数字离轴全息照相装置如图底部所示。c.用于stds表征的实时多散斑光谱-时间(MUST)测量系统示意图。d.一个用来描述std的系统。

图 4 MMF激光器中时空耗散孤子动力学。a左:观测不同间距的时空有界态和相应的光束轮廓。右图:不同波束位置采样脉冲的自相关性。b.通过改变泵功率实现Q-switching (QS)和STML之间的转换。随着泵浦功率的增加，激光输出的光谱覆盖连续波(CW)、QS和STML体系。ML模式锁定。c.两个空间采样点探测到的多脉冲STDS状态的累积动力学，显示出明显的累积路径。d.MMF激光中STDS爆发的观察。e.在STML光纤激光器中，色散管理腔使光束自清洁。右图测量了CW和STML状态的输出光束轮廓。f.STML光纤激光器中的自相似STDS。模拟的脉冲形状(实线)可以用抛物线脉冲形状(虚线)来拟合;输出光束为准基模。

图 5 时空锁模(STML)激光器的发展前景。a.STML激光器的多模非线性频率转换，包括i互模四波混频(FWM)和ii超连续谱的产生。b.多模增益工程，可以在单个MMF激光器中产生空间模复用多梳。c.在由少模梯度折射率MMF制成的high-Q的 FP微谐振器中观察STML

文献来源：Cao,B. , Gao,C. , Liu,K. , Xiao,X. , Yang,C. ,& Bao , C.(2023).Spatiotemporal mode-locking and dissipative solitons in multimode fiber lasers.Light: Science & Applications,12(1),.https://www.nature.com/articles/s41377-023-01305-0