随着多模光纤激光技术的快速发展，STML通过耦合激光腔内的不同高阶横向模式，产生了具有丰富内部结构的多维孤子、多模耗散结构和自组织光场。这为构建具有复杂时空结构的高维度、宽带和高能量超快脉冲光源开辟了新的可能性[1]、[2]、[3]、[4]。例如，Wright等人在2017年首次展示了基于多模光纤的STML机制[5]。与传统单模锁模光纤激光器[6]相比，STML系统表现出更强的时空耦合和更复杂的非线性演化，以及更多的非线性相互作用，包括SPM、交叉相位调制（XPM）、模间色散、空间自聚焦、SRS和FWM[7]、[8]、[9]、[10]。
非线性效应在STML光纤激光器的特性中起着关键作用[11]。在正常色散光纤激光器中，增益、损耗、色散和非线性之间的平衡是形成锁模现象的关键。当腔体参数满足相位移动和腔体光谱过滤之间的共振条件时，SPM将系统驱动进入DSR状态，产生具有特征性三角光谱的平顶脉冲[12]、[13]、[14]。2023年，Wang等人通过数值模拟展示了多模光纤激光器中的时空DSR[15]。
当泵浦功率进一步增加并超过拉曼阈值时，光纤激光器中的SRS被充分触发。SRS是一种由光与介质分子振动相互作用引起的非弹性散射过程，可以显著地将能量从主波长转移到斯托克斯波长，从而产生次级光谱峰[16]、[17]。这些现象在掺镱光纤激光器（YDFL）中尤为明显。由于Yb3+的增益带宽较窄，SRS提供了额外的增益通道，可以突破增益光谱的限制。Zhao等人在2018年报告了单模YDFL中的拉曼辅助锁模现象，并证明光谱展宽超过50纳米是由SRS引起的[18]。研究还发现，在强非线性条件下，SRS可以进一步放大高阶模式的能量，并促进多模光纤中的多波长协调振荡，从而将光谱宽度从10纳米扩展到数百纳米[19]、[20]、[21]。除了基本的SRS效应外，模式依赖的拉曼增益、模间能量转移和模式选择性放大也可能在STML系统中发生。当系统接近模式竞争的极限时，SRS可以在高阶模式之间重新分配脉冲能量，并为某些模式提供额外的拉曼增益，从而进一步增强能量耦合和光谱展宽[22]、[23]、[24]。因此，通过将掺镱光纤与多模光纤结合构建的光纤激光器可以在不引入额外拉曼增益介质的情况下实现SRS诱导的宽带或多波长STML光纤激光器。
当泵浦功率足够大时，光纤激光器会产生更强的非线性效应，其中FWM起着重要作用。FWM通过泵浦模式、斯托克斯模式和高阶模式之间的相互作用产生新的频率成分，有助于在腔体内形成超连续谱[25]、[26]、[28]。在多模光纤中，FWM由于模间相位匹配而得到显著增强，多个横向模式的存在提供了满足能量守恒的额外自由度[29]、[30]。尽管多模光纤中SRS和FWM的动力学已经得到了很好的研究，但在全光纤STML系统中的研究仍然不足。同时，不同STML光纤激光器中SRS诱导的双波长效应和FWM辅助的超连续谱尚未在实验中分别进行探索。因此，随着泵浦功率的增加，对同一STML全光纤激光器中非线性效应（SPM、SRS和FWM）对脉冲特性（DSR、双波长和超连续谱）影响的系统研究变得更加罕见。
在本文中，我们研究了在不改变腔体结构的情况下，通过增加泵浦功率，无隔离器环形腔STML光纤激光器的非线性演化特性经历了清晰有序的转变：从单波长DSR状态到由SRS诱导的双波长状态，最终到由FWM主导的超连续谱状态。在低泵浦功率236毫瓦时，光纤激光器在稳定的单波长DSR状态下运行，其特征是三角光谱、矩形纳秒脉冲和强的射频（RF）稳定性。随着泵浦功率的增加，当泵浦功率超过拉曼阈值时，在1070纳米附近出现明显的斯托克斯波长，形成SRS诱导的双波长光谱。在更高的泵浦功率568毫瓦下，增强的模间非线性相互作用引发了显著的光谱扩展，产生了带宽超过50纳米的超连续谱。宽带光谱的产生归因于多模光纤中的强FWM效应。这一转变过程突显了STML光纤激光系统中多模非线性的丰富相互作用。
