锁模光纤激光器原理

激光腔的边界条件决定了激光以一系列分立的谐振模式稳定存在于腔中。依据光的传播方向，这些模式可分成纵模和横模。仅考虑单个横模的情况下，如果诸多纵模间的相位关系被锁定（即锁模），则可以在时域上得到超短的相干脉冲光，如图1所示[1]。锁模激光器能够产生时域上超短的光脉冲，并具有高的峰值功率及频域上很宽的光谱，因此它在科学与工程领域具有重要的应用。

图1 激光腔中锁模构成时域上的超短脉冲[1]

如果锁模激光器的增益介质为光纤，则称之为锁模光纤激光器。光纤激光器具有光束质量好、散热性好、性能可靠、使用方便等优点，受到广泛的研究。连续或准连续（脉宽在纳秒或以上）光纤激光器已经得到了广泛的应用。

近年来，锁模光纤激光器的研究发展迅猛，其产生的超短脉冲所能达到的强度记录不断被刷新，其性能已接近或达到固体激光器的水平，预计未来几年有望在应用上有较大的突破。

锁模光纤激光器类型

锁模光纤激光器有很多形态，以下按照不同的角度尝试对锁模光纤激光器进行分类。

锁模方式

根据锁模方式的不同，可分为主动锁模和被动锁模两类。主动锁模主要指激光腔中具有主动调制器件，利用外部手段对光进行周期性调制，从而达到锁模。主动锁模光纤激光器可用于扫频等用途。由于主动锁模需要在腔内引入外部调制元件，和被动锁模相比结构一般比较复杂，输出脉宽也通常较宽。被动锁模是指利用无源器件的可饱和吸收特性对激光进行调制获得脉冲，具体在下文进行介绍。

可饱和吸收体类型

可饱和吸收体（saturable absorber，SA），是指其吸收或损耗随输入光强变化而变化，光强高的部分损耗小，光强低的部分损耗大，从而达到压缩脉冲、消除噪声脉冲的目的，如图2所示[2]。可饱和吸收体对在腔中循环的激光作用多次，从而得到稳定的脉冲串输出，实现锁模。

图2可饱和吸收体实现锁模及稳定脉冲的机理示意图[2] （左）可饱和吸收体透过率随输入光强的变化曲线；（右）可饱和吸收体（SA）对输入噪声的作用（时域）。

可饱和吸收体又可分为自然可饱和吸收体（通常为具有可饱和吸收特性的材料构成）和等效可饱和吸收体两种。其中前者有常用的半导体可饱和吸收镜(SESAM)，以及基于碳纳米管、石墨烯、二维材料等新型可饱和吸收体。例如，北京大学张志刚教授与中科院半导体研究所马骁宇研究员合作，研制出用于光纤激光器锁模及微片激光器调Q的高调制深度SESAM（调制深度12%），和用于固体激光器锁模的低调制深度SESAM（调制深度1%）。

等效可饱和吸收体通常由多个光学器件、效应共同实现可饱和吸收效应，包括非线性偏振旋转（NPR）、非线性环形镜（NOLM）、非线性放大环形镜（NALM）、非线性多模干涉、Mamyshev再生器等。

脉冲演化机理

根据腔内脉冲在不同色散条件下的演化机理，可以将锁模光纤激光器大致分为孤子光纤激光器、展宽脉冲（又称色散管理）光纤激光器、自相似光纤激光器以及耗散孤子（包括全正色散）光纤激光器，如图3所示[2]。

近年来，基于Mamyshev再生器锁模的Mamyshev振荡器引起人们的广泛关注，它的演化方式与上述都不太相同。Mamyshev振荡器包含几乎完全相同的两部分，在每一部分都形成抛物线形脉冲，它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 锁模光纤激光器能够输出高能量的脉冲，在单模光纤激光器中实现了压缩后达兆瓦峰值功率的输出[3]。天津大学的胡明列教授课题组进一步采用大模场光子晶体光纤构建Mamyshev振荡器，实现了压缩后峰值功率约为13 MW的超短脉冲输出[4]。

图3 不同锁模光纤激光器内的脉冲演化示意图（右侧所注为不发生光波分裂的前提下可承受的最大累积非线性相移）[2]，ФNL：非线性相移。

工作波长

锁模光纤激光器以增益介质分类，又有掺钕（Nd3+）、铒（Er3+）、镱（Yb3+）、铥（Tm3+）、镨（Pr3+）等各种离子的增益光纤，它们对应于不同的工作波长，通常分别在1064 nm、1550 nm、1030 nm、2000 nm、635 nm波段等。

腔的结构

根据腔的结构，可以分为环形腔、线性腔（F-P腔）等。有的腔的形状像阿拉伯数字“8”或“9”，又称为“8字腔”、“9字腔”等。图4是一个典型的环形腔结构的掺铒光纤激光器[5]，锁模器件是集成在光纤连接器端面的单壁碳纳米管，工作波段是1550 nm。光纤在这个波段为反常色散（群速度色散β2为负值），因此该激光是孤子激光器，腔内不需要进行色散补偿。腔中的滤波器是为了精细控制输出波长，否则也可以不使用滤波器。

值得注意的是，光在光纤中传输它的偏振态容易受环境干扰，因此锁模光纤激光器通常需要妥善固定光纤，或者采用全保偏光纤结构。

图4碳纳米管锁模掺铒光纤激光器结构示意图[5]

时空锁模多模光纤激光器

锁模光纤激光技术另一个值得关注的进展是2017年提出并实现的基于多模光纤的时空锁模激光器，该激光腔同时锁定腔内众多横模与纵模[6]。通过激发并锁定多个横模，Wright等人实验获得了能量为150 nJ、脉宽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。

锁模光纤激光器市场有待进一步开拓

锁模光纤激光器具有良好的工作稳定性、易于维护等优点，而且受益于光纤通信产业的发展，光纤相关器件通常价格较为便宜。因此锁模光纤激光器在高速光纤通信、微机械加工、生物医学、精密计量等领域有着广泛的应用前景[7]。

此外，传统固体激光器受限于热光效应，其平均功率和重复频率通常难以提升。而光纤表面与体积的比例很大，具有出色的散热性能。因此高重频的锁模光纤激光器在一些特定的应用中具有潜在的优势，例如通过激光的高次谐波获得极紫外辐射，机械加工中提高生产效率等[8]。

锁模光纤激光器发展到如今，能够提供锁模光纤激光器产品的公司有很多，国外的包括Topica、Pritel、Calmar、Menlo等公司，国内也有众多公司。尽管目前锁模光纤激光器的市场相比准连续光纤激光器而言并不大，但是笔者相信未来几年锁模光纤激光器会被更多地应用，其市场将会有极大的增长。

参考文献

[1] Rick Trebino教授教案, www.frog.gatech.edu

[2] F. W. Wise, A. Chong,W. H. Renninger. High-energy femtosecond fiber lasers based on pulse propagation at normal dispersion. Laser & Photonics Reviews, Apr. 2008, 2(1-2):58-73.

[3] Z. Liu et al. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator, Optica, 2017, 4(6): 649.

[4] J. Cui, Y. Song, C. Wang, and M. Hu, Femtosecond Mamyshev oscillator with 10-MW-level peak power, Optica, 2019, 6(2): 194-197.

[5] F. Wang, A. G. Rozhin, V. Scardaci, Z. Sun, F. Hennrich, I. H. White, W. I. Milne, and A. C. Ferrari, Wideband-tuneable, nanotube mode-locked fibre laser. Nature Nanotechnology, 2008, 3:738-742

[6] L. G. Wright, D. N. Christodoulides, F. W. Wise. Spatiotemporal mode-locking in multimode fiber lasers. Science, 2017, 358(6359): 94-97.

[7] 祝宁华，闫连山，刘建国　主编，光纤光学前沿，第六章 光纤光源。科学出版社，2011.

[8] 余霞，罗佳琪，肖晓晟，王攀，高功率超快光纤激光器研究进展，中国激光，46（5）：0508007，2019.

作者简介

肖晓晟，副教授，北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，主要从事锁模光纤激光器、光纤通信等方面的研究