一個鎖模光纖激光器，居然也有這么多種類

激光腔的邊界條件決定了激光以一系列分立的諧振模式穩(wěn)定存在于腔中。依據(jù)光的傳播方向，這些模式可分成縱模和橫模。僅考慮單個橫模的情況下，如果諸多縱模間的相位關(guān)系被鎖定（即鎖模），則可以在時域上得到超短的相干脈沖光，如下圖所示。鎖模激光器能夠產(chǎn)生時域上超短的光脈沖，并具有高的峰值功率及頻域上很寬的光譜，因此它在科學(xué)與工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

激光腔中鎖模構(gòu)成時域上的超短脈沖

如果鎖模激光器的增益介質(zhì)為光纖，則稱之為鎖模光纖激光器。光纖激光器具有光束質(zhì)量好、散熱性好、性能可靠、使用方便等優(yōu)點，受到廣泛的研究。連續(xù)或準連續(xù)（脈寬在納秒或以上）光纖激光器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，鎖模光纖激光器的研究發(fā)展迅猛，其產(chǎn)生的超短脈沖所能達到的強度記錄不斷被刷新，其性能已接近或達到固體激光器的水平，預(yù)計未來幾年有望在應(yīng)用上有較大的突破。

鎖模光纖激光器類型

鎖模光纖激光器有很多形態(tài)，以下按照不同的角度嘗試對鎖模光纖激光器進行分類。

根據(jù)鎖模方式的不同，可分為主動鎖模和被動鎖模兩類。主動鎖模主要指激光腔中具有主動調(diào)制器件，利用外部手段對光進行周期性調(diào)制，從而達到鎖模。主動鎖模光纖激光器可用于掃頻等用途。由于主動鎖模需要在腔內(nèi)引入外部調(diào)制元件，和被動鎖模相比結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，輸出脈寬也通常較寬。被動鎖模是指利用無源器件的可飽和吸收特性對激光進行調(diào)制獲得脈沖，具體在下文進行介紹。

可飽和吸收體（saturable absorber，SA），是指其吸收或損耗隨輸入光強變化而變化，光強高的部分損耗小，光強低的部分損耗大，從而達到壓縮脈沖、消除噪聲脈沖的目的，如下圖所示。可飽和吸收體對在腔中循環(huán)的激光作用多次，從而得到穩(wěn)定的脈沖串輸出，實現(xiàn)鎖模。

可飽和吸收體實現(xiàn)鎖模及穩(wěn)定脈沖的機理示意圖（左）可飽和吸收體透過率隨輸入光強的變化曲線；（右）可飽和吸收體（SA）對輸入噪聲的作用（時域）。

可飽和吸收體又可分為自然可飽和吸收體（通常為具有可飽和吸收特性的材料構(gòu)成）和等效可飽和吸收體兩種。其中前者有常用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)，以及基于碳納米管、石墨烯、二維材料等新型可飽和吸收體。例如，北京大學(xué)張志剛教授與中科院半導(dǎo)體研究所馬驍宇研究員合作，研制出用于光纖激光器鎖模及微片激光器調(diào)Q的高調(diào)制深度SESAM（調(diào)制深度12%），和用于固體激光器鎖模的低調(diào)制深度SESAM（調(diào)制深度1%）。

等效可飽和吸收體通常由多個光學(xué)器件、效應(yīng)共同實現(xiàn)可飽和吸收效應(yīng)，包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）、非線性環(huán)形鏡（NOLM）、非線性放大環(huán)形鏡（NALM）、非線性多模干涉、Mamyshev再生器等。

根據(jù)腔內(nèi)脈沖在不同色散條件下的演化機理，可以將鎖模光纖激光器大致分為孤子光纖激光器、展寬脈沖（又稱色散管理）光纖激光器、自相似光纖激光器以及耗散孤子（包括全正色散）光纖激光器。

近年來，基于Mamyshev再生器鎖模的Mamyshev振蕩器引起人們的廣泛關(guān)注，它的演化方式與上述都不太相同。Mamyshev振蕩器包含幾乎完全相同的兩部分，在每一部分都形成拋物線形脈沖，它在放大過程中的自相似演化使得脈沖可承受高的非線性效應(yīng)而不分裂；腔內(nèi)的Mamyshev再生器經(jīng)多次循環(huán)后構(gòu)成了具有階躍式透過率曲線的可飽和吸收器件。

這些特性使得Mamyshev 鎖模光纖激光器能夠輸出高能量的脈沖，在單模光纖激光器中實現(xiàn)了壓縮后達兆瓦峰值功率的輸出。天津大學(xué)的胡明列教授課題組進一步采用大模場光子晶體光纖構(gòu)建Mamyshev振蕩器，實現(xiàn)了壓縮后峰值功率約為13 MW的超短脈沖輸出。

不同鎖模光纖激光器內(nèi)的脈沖演化示意圖（右側(cè)所注為不發(fā)生光波分裂的前提下可承受的最大累積非線性相移），ФNL：非線性相移。

根據(jù)工作波長，鎖模光纖激光器以增益介質(zhì)分類，又有摻釹（Nd3+）、鉺（Er3+）、鐿（Yb3+）、銩（Tm3+）、鐠（Pr3+）等各種離子的增益光纖，它們對應(yīng)于不同的工作波長，通常分別在1064 nm、1550 nm、1030 nm、2000 nm、635 nm波段等。

根據(jù)腔的結(jié)構(gòu)，可以分為環(huán)形腔、線性腔（F-P腔）等。有的腔的形狀像阿拉伯?dāng)?shù)字“8”或“9”，又稱為“8字腔”、“9字腔”等。圖4是一個典型的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖激光器[5]，鎖模器件是集成在光纖連接器端面的單壁碳納米管，工作波段是1550 nm。光纖在這個波段為反常色散（群速度色散β2為負值），因此該激光是孤子激光器，腔內(nèi)不需要進行色散補償。腔中的濾波器是為了精細控制輸出波長，否則也可以不使用濾波器。

值得注意的是，光在光纖中傳輸它的偏振態(tài)容易受環(huán)境干擾，因此鎖模光纖激光器通常需要妥善固定光纖，或者采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)。

碳納米管鎖模摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

時空鎖模多模光纖激光器

鎖模光纖激光技術(shù)另一個值得關(guān)注的進展是2017年提出并實現(xiàn)的基于多模光纖的時空鎖模激光器，該激光腔同時鎖定腔內(nèi)眾多橫模與縱模。通過激發(fā)并鎖定多個橫模，Wright等人實驗獲得了能量為150 nJ、脈寬150 fs的輸出，對應(yīng)于10 W的平均輸出功率以及1 MW的峰值功率。他們還指出，利用更大芯徑的光纖有望將脈沖能量再提高2個數(shù)量級。

鎖模光纖激光器市場有待進一步開拓

鎖模光纖激光器具有良好的工作穩(wěn)定性、易于維護等優(yōu)點，而且受益于光纖通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光纖相關(guān)器件通常價格較為便宜。因此鎖模光纖激光器在高速光纖通信、微機械加工、生物醫(yī)學(xué)、精密計量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

此外，傳統(tǒng)固體激光器受限于熱光效應(yīng)，其平均功率和重復(fù)頻率通常難以提升。而光纖表面與體積的比例很大，具有出色的散熱性能。因此高重頻的鎖模光纖激光器在一些特定的應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢，例如通過激光的高次諧波獲得極紫外輻射，機械加工中提高生產(chǎn)效率等。

高功率飛秒鎖模光纖激光器

鎖模光纖激光器發(fā)展到如今，能夠提供鎖模光纖激光器產(chǎn)品的公司有很多，其中新特光電提供的脈沖光纖激光器包含飛秒鎖模光纖激光器和皮秒鎖模光纖激光器，滿足醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究，半導(dǎo)體檢查，微加工，計量學(xué)和多光子光譜學(xué)等一系列市場應(yīng)用。其中高功率鎖模飛秒光纖激光器在920nm和1190nm光譜范圍內(nèi)工作-傳統(tǒng)上超速Ti:Sapphire激光器和光學(xué)參量振蕩器可以覆蓋該范圍。它們以200fs的脈沖持續(xù)時間，80MHz的重復(fù)頻率和1 W的平均功率產(chǎn)生線性偏振的幾乎受限制的脈沖。激光器緊湊且免維護，是基于光纖的，具有非常好的質(zhì)量。光束輪廓，并且不需要光學(xué)對準。我們鎖模光纖激光器的工作頻率為1μm或1.5μm，并提供皮秒級的脈沖，可用作光放大器和二次諧波的種子源。基于全光纖設(shè)計，具有高度可靠性（10,000小時）且無需維護。為了確保環(huán)境穩(wěn)定的線性偏振輸出和交鑰匙自啟動操作，所有組件均由保持偏振的光纖制成。盡管目前鎖模光纖激光器的市場相比準連續(xù)光纖激光器而言并不大，但是筆者相信未來幾年鎖模光纖激光器會被更多地應(yīng)用，其市場將會有極大的增長。

作者簡介

肖曉晟，副教授，北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室，主要從事鎖模光纖激光器、光纖通信等方面的研究。