超快激光屬于超短脈沖，而鎖模是產(chǎn)生超短脈沖的主要手段，實(shí)現(xiàn)方式有主動鎖模、被動鎖模以及混合鎖模。從被動鎖模光纖激光器產(chǎn)生鎖模脈沖的機(jī)理來看，波導(dǎo)介質(zhì)引起的群速度色散、非線性效應(yīng)，濾波器的頻譜濾波效應(yīng)，以及可飽和吸收體(SA)引起的自振幅調(diào)制效應(yīng)等物理過程之間的相互平衡是形成穩(wěn)定脈沖的關(guān)鍵因素。下面我們將詳細(xì)探討基于可飽和吸收效應(yīng)被動鎖模技術(shù)的發(fā)展情況來看超快激光的未來發(fā)展。

可飽和吸收體的分類

可飽和吸收體是利用非線性效應(yīng)產(chǎn)生超快光纖激光的被動光調(diào)制器件，其光調(diào)制作用一般是指衰減光強(qiáng)的能力隨光強(qiáng)的增大而降低。

可飽和吸收體的實(shí)現(xiàn)方式分為真實(shí)飽和吸收體和 人造飽和吸收體 ，如圖1所示。

真實(shí)飽和吸收體包括半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)和納米材料；人造可飽和吸收體包括非線性偏振演化(NPE)、非線性光環(huán)形鏡(NOLM ) 、非線性多模干涉(NLMMI)和Mamyshev再生器(Mamyshev)。

圖1 可飽和吸收體分類圖

不同類別可飽和吸收體被動鎖模技術(shù)

合理選擇可飽和吸收體參數(shù)是獲得具有自啟動、高環(huán)境穩(wěn)定性、脈沖參數(shù)可控等特點(diǎn)的超快光纖激光的核心技術(shù)。在被動鎖模技術(shù)應(yīng)用中，各種可飽和吸收體被動鎖模技術(shù)產(chǎn)生超短光纖激光的優(yōu)勢以及所面臨的問題不同。

#1 非線性偏振演化(NPE)鎖模技術(shù)

非線性偏振旋轉(zhuǎn)演化鎖模技術(shù)是克爾效應(yīng)引起的不同偏振光產(chǎn)生不同非線性相移而實(shí)現(xiàn)可飽和吸收效應(yīng)的鎖模機(jī)制，具有波長可調(diào)、調(diào)制深度大、響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)，但是工作狀態(tài)會受到環(huán)境溫度、外部振動、偏振退卻等因素的影響，使NPE等效的可飽和吸收體參數(shù)在長時間工作條件下易發(fā)生變化，導(dǎo)致鎖模狀態(tài)發(fā)生變化甚至失鎖，限制了NPR鎖模光纖激光器的實(shí)用化和商業(yè)化。

如何規(guī)避或者抵消NPE鎖模環(huán)境不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)？ 近幾年，全保偏光纖NPE鎖模和智能NPE鎖模逐漸成為解決NPE技術(shù)問題的兩個主要方向。

全保偏NPE鎖模

全保偏NPE鎖模的核心技術(shù)是將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖替換為保偏光纖，可以規(guī)避掉單模光纖弱雙折射效應(yīng)引起的調(diào)制不穩(wěn)定性，進(jìn)而提升激光腔的整體環(huán)境穩(wěn)定性。據(jù)悉，目前已經(jīng)報道的各類全保偏光纖NPE鎖模激光器可以有效地降低環(huán)境溫度等外界因素的影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模。

智能NPE鎖模

智能NPE鎖模的核心技術(shù)是通過智能算法與控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式，自動反饋并自動調(diào)控激光腔內(nèi)的偏振狀態(tài)。當(dāng)腔內(nèi)偏振狀態(tài)由于外部環(huán)境發(fā)生變化時，智能系統(tǒng)可以迅速甄別并自動調(diào)節(jié)偏振器件，進(jìn)而抵消掉NPE光纖激光器對環(huán)境的敏感性，提升NPE鎖模技術(shù)的主動控制能力。

#2 非線性光環(huán)形鏡（NOLM）鎖模技術(shù)

利用Sagnac環(huán)產(chǎn)生強(qiáng)度相關(guān)的非線性相移差實(shí)現(xiàn)鎖模的激光器稱為NOLM鎖模激光器，類似于數(shù)字“8”，也稱為8字型腔激光器。

相比于NPR鎖模技術(shù)，NOLM鎖模機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是受環(huán)境溫度等因素的影響較小、響應(yīng)時間短、鎖模不受波段限制、產(chǎn)生的脈沖強(qiáng)度抖動性小。缺點(diǎn)是NOLM 較難自啟動，需要偏振控制器(PC)調(diào)節(jié)腔內(nèi)巨脈沖啟動鎖模狀態(tài)。

弱雙折射單模光纖的環(huán)境穩(wěn)定性較差，無法形成環(huán)境穩(wěn)定鎖模，無法在溫度變化較大的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用；全光纖結(jié)構(gòu)的8字型腔的腔長普遍較長，產(chǎn)生的脈沖重復(fù)頻率通常低于20 MHz，無法在高重復(fù)頻率如頻率梳等應(yīng)用中使用。為了解決穩(wěn)定性以及拓展非線性環(huán)鎖模激光器的應(yīng)用空間，研究人員設(shè)計出了運(yùn)用全保偏光纖及器件改進(jìn)型的高環(huán)境穩(wěn)定性8字腔和高重復(fù)頻率9字腔激光器。

全保偏8字腔提升環(huán)境穩(wěn)定性的核心技術(shù)同全保偏NPE鎖模技術(shù)類似，都是將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖替換為保偏光纖，提升激光腔的環(huán)境穩(wěn)定性。不同之處在于，8字腔結(jié)構(gòu)不存在群速度失配的問題，腔型設(shè)計相對簡單，如圖2所示。

圖2 全保偏8字型鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

高重復(fù)頻率9字腔 ，結(jié)構(gòu)如圖3所示，是為了滿足高重復(fù)頻率如光頻梳等應(yīng)用，通過縮短激光腔長獲得高重復(fù)頻率激光輸出的最直接的技術(shù)。但對于NOLM激光器來說，短腔無法保證積累足夠的非線性相移。

圖3 高重復(fù)頻率9字腔鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

隨著研究的進(jìn)一步深入， 基于NOLM鎖模技術(shù)逐漸成為商用高重復(fù)頻率超快光纖激光的主流鎖模技術(shù)。 與其他鎖模機(jī)制相比，NOLM鎖模技術(shù)對波長不敏感，腔損耗可容忍度較大。為了提高波長覆蓋范圍，氟化物玻璃(ZBLAN)光纖8字腔鎖模光纖激光器成為熱門研究方向。

現(xiàn)階段，可見光波段(380~760 nm)超快激光的產(chǎn)生方式主要是鈦寶石激光器、光參量放大系統(tǒng)、近紅外波段的倍頻等。與近紅外波段(1 μm、1.5 μm、2 μm 等波段)鎖模光纖激光器相比，這些方式的不足之處在于成本過高、封裝體積過大、光路較復(fù)雜等。

可見光波段鎖模光纖激光器的發(fā)展依賴于高增益、低損耗的ZBLAN光纖的制備，同樣也依賴于高能量藍(lán)光半導(dǎo)體激光器作為激勵源。另外，可見光波段的光纖器件的成熟、寬帶響應(yīng)的材料類飽和吸收體的快速發(fā)展，也為可見光波段鎖模光纖激光器的發(fā)展提供了動力。

由于二維納米材料的寬帶響應(yīng)特性，可利用其作為可飽和吸收體在可見光波段光纖激光器中產(chǎn)生調(diào)Q脈沖輸出。雖然光纖激光器相比于固體激光器損耗容忍度更大，但是要獲得鎖模脈沖輸出，需要在已獲得調(diào)Q輸出的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化腔型，減少激光的線性損耗，增強(qiáng)飽和吸收特性。

#3 納米材料類飽和吸收體鎖模技術(shù)

納米材料類可飽和吸收體由于其工作波段寬、制備簡單、成本低、易集成、恢復(fù)時間快等優(yōu)點(diǎn)，受到了行業(yè)廣泛關(guān)注，因而超快激光也得到了迅速發(fā)展，其缺點(diǎn)是熱損傷閾值較低、長時間工作穩(wěn)定性有待提升。納米材料對光的吸收率隨入射光強(qiáng)的增加而減少時材料具有可飽和吸收特性，如圖4所示。

圖4 納米材料類可飽和吸收效應(yīng)原理圖

近幾十年，SESAM得到了迅速的發(fā)展并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。SESAM主要由半導(dǎo)體可飽和吸收體和布拉格反射鏡組成，以InGaAs量子阱作為可飽和吸收體可以對指定波長實(shí)現(xiàn)有效吸收，而在襯底層上交替鍍制的GaAs和AlAs層構(gòu)成的布拉格反射鏡決定了反射光譜。

SESAM被動鎖模光纖激光器具有易于自啟動、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、鎖模閾值低、響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)，但其制造工藝復(fù)雜、成本較高以及不易于光纖集成等特點(diǎn)促使人們開始尋找其他新型可飽和吸收體，如碳納米管、石墨烯、拓?fù)浣^緣體、過渡金屬硫化物、黑磷、MXene、鈣鈦礦、銻烯、鉍烯等新型材料，如圖5所示。

圖5 新型納米材料類可飽和吸收體

納米材料光器件的光學(xué)特性與納米材料的本質(zhì)特性如帶隙結(jié)構(gòu)、非線性響應(yīng)系數(shù)、載流子濃度、響應(yīng)恢復(fù)時間等直接相關(guān)。二維納米材料與光、電相互作用的機(jī)理發(fā)展為研制具有光電調(diào)控特性的光纖激光器帶來了新的發(fā)展。比如石墨烯電光調(diào)制器，通過電場調(diào)控該器件，獲得激光的調(diào)Q和鎖模輸出，具有很好的熱穩(wěn)定性和高功率穩(wěn)定性。

#4 非線性多模干涉(NLMMI)鎖模技術(shù)

基模從單模光纖耦合入多模光纖時會激發(fā)出高階模式，高階模式從多模光纖耦合回單模光纖后會產(chǎn)生非線性模式損耗。非線性多模干涉效應(yīng)可以充當(dāng)可飽和吸收體，其原理如圖6所示。NLMMI優(yōu)點(diǎn)是全光纖結(jié)構(gòu)、制備成本低，缺點(diǎn)是特殊結(jié)構(gòu)會增大腔損耗，可飽和吸收體參數(shù)的可調(diào)性、環(huán)境穩(wěn)定性較差。

圖6 非線性多模干涉可飽和吸收體原理圖

在非線性介質(zhì)中由于受到自相位調(diào)制(SPM)、互相位調(diào)制(XPM)效應(yīng)的影響,不同光功率的折射率產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響傳輸拍長，通過控制光纖長度可以實(shí)現(xiàn)可飽和吸收效應(yīng)的強(qiáng)弱控制。在多模光纖中，對于低功率信號，光束會由于芯徑失配而產(chǎn)生發(fā)散；對于高功率信號，自聚焦效應(yīng)使得激光耦合進(jìn)單模光纖中繼續(xù)傳輸。

多模光纖結(jié)構(gòu)激光器結(jié)構(gòu)簡單、輸出穩(wěn)定、脈沖輸出類型多樣，但是仍然存在環(huán)境不穩(wěn)定性、調(diào)控不方便等缺點(diǎn)，具有深入研究的空間。

#5 Mamyshev鎖模技術(shù)

為了進(jìn)一步提升光纖激光器的峰值功率，一種新型光纖振蕩器即Mamyshev被提出，如圖7。Mamyshev再生放大最早于1998年由Mamyshev提出，隨后被應(yīng)用在通信領(lǐng)域。Mamyshev可飽和吸收體的調(diào)制深度為100%，因此可以抑制噪聲、連續(xù)光成分破壞脈沖輸出，缺點(diǎn)是不能夠自啟動，需要注入初始的脈沖信號，這是由于低峰值激光無法保證足夠的非線性效應(yīng)展寬光譜。

盡管如此，Mamyshev振蕩器在產(chǎn)生高峰值功率上的巨大潛力吸引了研究人員的注意。2020年，研究人員通過兩段大模場保偏摻鐿增益光纖，實(shí)現(xiàn)了13 MW峰值功率的激光脈沖輸出。這已經(jīng)超過了傳統(tǒng)商用鈦藍(lán)寶石激光器的輸出峰值功率，足以證明Mamyshev振蕩器的巨大潛力，并有望替代傳統(tǒng)商用鈦藍(lán)寶石激光器。

圖7 環(huán)形 Mamyshev振蕩器示意圖

克爾非線性效應(yīng)導(dǎo)致的光譜展寬是連接兩部分光放大的橋梁，利用非線性效應(yīng)來獲得高峰值功率超短脈沖。獲得的脈沖能量和峰值功率還可以通過使用大模場光纖或分脈沖放大等技術(shù)進(jìn)一步放大，通過這些技術(shù)可以直接從振蕩器中獲得微焦耳級的100 MW脈沖，進(jìn)一步推動了光纖激光器的商業(yè)化應(yīng)用。

結(jié) 語

鎖模光纖激光器具有良好的工作穩(wěn)定性、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，利用各種非線性可飽和吸收效應(yīng)鎖模機(jī)理，設(shè)計出更加穩(wěn)定、便宜、便攜的超快激光光源，將有助于推動超快光纖激光器向著更加成熟的方向發(fā)展。