高功率超短脉冲在超快光谱学、远距离遥感、强场物理学、精密工业加工及国防等方面具有重要应用。高功率超快光纤激光器研究中获得超短脉冲源的技术，除了被动锁模外还有主动锁模和是非锁模技术，例如对增益开关激光管的输出进行放大、非线性压缩。

针对被动锁模光纤激光器的研究方向

在基础研究方面，常利用光纤激光器充当一个绝佳的研究非线性科学的平台；在应用技术方面，追求更佳的输出性能，如使超快光纤激光器的输出脉冲能量、峰值功率等参数与固体激光器相比拟，或追求更高的重复频率，或在不同波段获得超短脉冲源等。依据激光腔的色散特性，可将锁模光纤激光器分为反常色散腔（对应于传统孤子）激光器、色散管理腔（对应于展宽脉冲以及自相似脉冲）激光器和正常色散腔（对应于耗散孤子）激光器。

从锁模技术来看，又可将其分为有非线性偏振旋转(NPR)激光器、非线性环形镜(NOLM)激光器、非线性放大环形镜(NALM)激光器、多模光纤中的非线性多模干涉激光器、Mamyshev再生器激光器、实际的可饱和吸收体(半导体可饱和吸收镜SEASAM、石墨烯、拓扑绝缘体、黑磷等)激光器;

以增益介质分类，又可将其分为掺钕(Nd3+)、铒(Er3+)、镱(Yb3+)、铥(Tm3+)等离子的光纤激光器，对应于不同的激光波长。

光纤振荡器是高功率超快光纤激光源的种子，下面主要介绍近年来涌现出的新型被动锁模光纤激光技术，并集中于1 μm波段(掺镱光纤激光器)和2 μm波段(掺铥光纤激光器)。

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超快掺镱光纤激光器

图1 不同种类超快光纤振荡器输出的峰值功率

图1给出了近些年来超快光纤激光腔输出性能的峰值功率，图中的功率值进行了归一化处理，即统一为纤芯直径为6 μm的标准单模光纤，并且对于未给出压缩效率的文献，假设其压缩效率为75%。若一点中包含有不同的颜色，则代表了脉冲有几种不同的演化过程。研究者们不断提出各种新型的超快光纤激光器结构，用以提升振荡器的输出脉冲能量和峰值功率，使其逐渐接近甚至达到传统商用固体激光器的输出指标。在这些研究组中，尤以美国康奈尔大学的Wise研究组表现突出。2012年，康奈尔大学的 Chong等利用增益光纤中抛物线形脉冲的自相似演化来克服非线性效应导致的脉冲分裂，并在腔中引入高非线性光子晶体光纤，得到了带宽约为200 nm的脉冲直接输出。之后，他们进一步利用复杂的相位补偿设备，将脉宽压缩至20 fs。

2015年，借鉴贝尔实验室Mamyshev在光纤通信领域提出的脉冲再生技术，Regelskis等利用Mamyshev再生装置充当激光腔中的可饱和吸收器件，实现了2.8 nJ的脉冲输出。2017年，IPG公司的研究人员采用相似的思路搭建了全光纤Mamyshev振荡器。同年，Wise研究组的Liu等进一步研究了Mamyshev 光纤振荡器，指出了其锁模特性和原理：腔内形成了抛物线形脉冲，其在放大过程中的自相似演化使得脉冲可承受高的非线性效应而不分裂；腔内的Mamyshev再生器经多次循环后构成了具有阶跃式透过率曲线的可饱和吸收器件，这些特性使得Mamyshev光纤振荡器能够输出高能量的脉冲。

图2给出了Liu等搭建的保偏光纤Mamyshev振荡器的结构，该Mamyshev振荡器包含了几乎完全相同的上下两部分，其中PBS为偏振分束器。只有峰值功率较大的脉冲因光谱展宽较明显而透过滤波器，而对于功率较弱的脉冲，则无法透过该滤波器，利用信号再生的原理，在腔中发挥可饱和吸收作用。该光纤腔产生了能量高达50 nJ、脉宽为40 fs的单脉冲输出，脉冲的峰值功率可达兆瓦量级。2018年，该小组进一步改进腔结构，获得了能够简单启动的Mamyshev振荡器。

图2 Mamyshev振荡器的结构

锁模光纤激光技术另一个值得关注的进展是康奈尔大学的Wright等在2017年提出并实现的基于多模光纤的时空锁模激光器，该激光器可同时锁定腔内的众多横模与纵模。通过激发并锁定多个横模，Wright等在实验中获得了能量为150 nJ、脉宽为150 fs的输出，对应于10 W的平均输出功率以及1 MW的峰值功率。他们还指出，利用更大芯径的光纤有望将脉冲能量再提高2个数量级。清华大学某课题组进一步研究了时空锁模光纤激光器中的动态特性，如束缚态等。

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超快掺铥光纤激光器

工作波段为2 μm的激光器在生物医疗、环境监测、激光雷达等领域具有广阔的应用前景，因此，工作在2 μm波段的锁模掺铥光纤激光器近年来发展迅速，受到了广泛关注。人们研究了基于新颖锁模材料的掺铥锁模光纤激光器，这些材料包括石墨烯、拓扑绝缘体、过渡族金属硫化物及黑磷等。下面将从激光腔结构的设计以及高能量脉冲的实现方法两个角度简要介绍超快掺铥光纤激光器的研究进展。

1）不同的激光腔结构

光纤通常在2 μm 波段具有反常色散，锁模激光器此时工作在传统孤子状态。为提高输出脉冲的能量，人们研究了各种激光腔结构的输出特性。

具有高重复频率的脉冲种子源具有很多潜在应用。对于超快光纤激光器，可以通过构建足够短的腔来获得高重复频率输出，难点在于如何用很短的增益光纤获得足够维持锁模的增益。

2）高能量脉冲的实现方法

为了在光纤激光腔中获得高能量输出脉冲，可以通过产生时域上较宽的脉冲来实现，例如类噪声脉冲和耗散孤子共振(DSR)脉冲。DSR脉冲是一种特殊的耗散孤子，它通常是矩形的宽脉冲。随着抽运功率增加，DSR脉冲的宽度增加，但不发生分裂。2018年，Ibarra-Escamilla等在利用NOLM技术锁模的腔中实现了脉冲能量为206 nJ的DSR输出。同年，Luo课题组研究了“σ形”激光腔中不同腔长下的DSR演化特性，并在实验中获得了能量为353.11 nJ的脉冲输出。前述清华大学课题组在“9字腔”结构激光器中也实现了DSR脉冲输出，其最大单脉冲能量可达713.2 nJ。

以上新型被动锁模光纤激光技术知识，你get了吗？下一篇，我们将介绍啁啾脉冲放大(CPA)技术，包括基于掺镱光纤的CPA技术和基于掺铥光纤的CPA技术。

作者：

余霞 1* , 罗佳琪 2 , 肖晓晟 3 , 王攀 3

1新加坡国立大学电子与计算机工程系

2南洋理工大学电子电气工程系

3清华大学精密仪器系精密测试技术与仪器国家重点实验室

参考文献：余霞,罗佳琪,肖晓晟,王攀 高功率超快光纤激光器研究进展[J]. 中国激光，2019，46(5): 508007

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