圖1 光纖激光器

所謂鎖模，就是對激光器中運轉在位於增益帶寬內諸多縱模進行相位鎖定，它是對激光進行的一種特殊的調製，最終結果就是使得不同的振蕩縱模之間建立起了確定的相位關系，從而使各個模式產生相幹疊加，從而在時域上形成一種超短激光脈衝[8]。

由於光纖激光器的諧振腔結構比較靈活，可以是環形腔，也可以是線形腔，而且諧振腔內可以調節的參數很多，所以，可以很靈活的利用鎖模技術產生超短脈衝。另外，光纖激光器具有全光纖結構，當在諧振腔內傳輸的光脈衝能量較高時，光纖將表現出比較強的非線性效應，比如自相位調製效應（SPM）、交叉相位調製效應（XPM）等，利用這些效應不僅能夠實現鎖模，而且還可以改善激光器輸出的鎖模脈衝的質量。

鎖模技術的實現方式通常有兩種：主動鎖模和被動鎖模。兩種技術的區別是：主動鎖模需要在諧振腔內插入一個有源的主動調製器來實現鎖模，而被動鎖模是通過可飽和吸收體等無源光器件來實現的。

主動鎖模光纖激光器采用周期性調製諧振腔內參量的方法，即在諧振腔內插入一個受外部信號控製的調製器，通過控製調製器的調製頻率和調製深度來周期性的改變諧振腔內各個振蕩縱模間的相位和振幅。當選擇的調製頻率和諧振腔內各個縱模間的間距相等時，諧振腔內可以形成鎖模脈衝序列。

圖2 主動鎖模光纖激光器原理圖（摻鉺光纖為例）

被動鎖模光纖激光器利用一些光學元件對脈衝強度的非線性響應，實現脈衝窄化。可以使用的方法有：利用半導體可飽和吸收鏡（SESAM），單壁碳納米管（SWCNT），和石墨烯，或者利用非線性效應，包括非線性偏振旋轉（NPR），非線性放大環形鏡（NALM），以及非線性光環形鏡（NOLM）結構。

                                                                        圖3 基於NPR的被動鎖模光纖激光器原理圖（摻鉺光纖為例）

進一步，我們來說說耗散孤子的鎖模光纖激光器。提高激光輸出脈衝一直是研究的熱點，傳統孤子鎖模光纖激光器受到孤子面積理論的影響，當諧振腔內泵浦功率過高，會導緻孤子脈衝分裂，所以其脈衝寬度和能量都受到了限製。展寬脈衝鎖模光纖激光器，將光纖激光器分為正色散部分和負色散部分。脈衝在諧振腔內傳輸時會被周期性的展寬和壓縮，從而降低了脈衝的平均峰值功率，減少了脈衝在傳輸過程中積累的非線性相移，避免了脈衝的分裂。雖然脈衝功率升高，但是也隻能限製在幾個nJ。

耗散孤子光纖激光器是耗散結構的一種，耗散結構是指一個遠離平衡態的開放系統，通過與外界交換物質和能量，在一定條件下形成的一種新的穩定有序的結構。

耗散孤子光纖激光器的脈衝形成機製完全不同於傳統孤子光纖激光器，如圖4所示。傳統孤子是色散和光纖非線性效應對脈衝平衡作用的結果，它的形成過程中沒有能量的流入和流出。而在正色散區，色散效應和非線性效應共同作用於脈衝使脈衝展寬，在光纖激光器中通過直接利用增益介質本身的增益帶寬限製，可以補償色散效應和非線性效應的綜合作用結果，從而得到耗散孤子。在耗散孤子的形成過程中，激光器的增益和損耗也起到非常重要的作用。

圖4（a）傳統孤子與（b）耗散孤子形成機理對比示意圖

耗散孤子具體形成機理如下：對於正色散腔摻鉺鎖模光纖激光器而言，在頻域上，脈衝在EDF的放大過程受到自相位調製等非線性效應的影響，導緻脈衝的時域前沿產生紅移，時域後沿產生藍移；時域上，由於諧振腔內的淨色散為正，導緻長波成分傳播速度大於短波成分。因此，光纖非線性和正色散效應的共同作用導緻時域脈衝寬度急劇增大，並產生極大的正頻率啁啾。此外，由於諧振腔內的EDF長度較大，導緻其對腔內傳輸的脈衝具有強烈的增益色散作用[9]，增益濾波效應明顯。這意味著，當脈衝在EDF中傳輸時將受到有效增益濾波作用，同時濾除脈衝的頻域和時域的前後沿。當脈衝經過可飽和吸收體時（自然可飽和吸收體或等效可飽和吸收體），時域脈衝寬度被進一步窄化，並且頻域光譜兩翼部分也同時被削弱（此為耗散過程），在增益、損耗、正色散、光纖非線性效應、光譜濾波效應和可飽和吸收效應的共同作用下，光脈衝在諧振腔內實現了穩定的自洽演化，從而獲得了穩定的耗散孤子脈衝。

耗散孤子的形成過程中，在諧振腔內正色散的影響下，脈衝被極大的展寬，降低了脈衝的峰值功率和非線性效應，因此耗散孤子光纖激光器能有效克服光波分裂，實現更高能量的鎖模脈衝輸出。

例如2005年，Ruehl[10]等人搭建了極大正色散腔摻鉺光纖激光器，實驗獲得了脈衝寬度為64fs，脈衝能量為6.4nJ的耗散孤子脈衝。

2006年，Chong等人[11]搭建了全正色散摻鐿光纖激光器，並獲得了能量大約為20nJ的耗散孤子脈衝，脈衝經過壓縮後峰值功率可以達到100kW以上。

2010年，Lefrancois等人[12]采用大模場面積光子晶體光纖構建了正色散腔鎖模光纖激光器，實現了能量為142nJ的耗散孤子輸出，脈衝經腔外解啁啾壓縮後脈衝寬度為115fs，峰值功率達兆瓦以上。

那麼為什麼需要用長腔的光纖激光器呢？

Renninger[13]等通過數值模擬，發現耗散孤子脈衝的寬度、啁啾、和能量都隨著腔內淨色散量的增加而增大。而在光纖激光器中，單純增加光纖的長度即可獲得傳統固體激光器中所無法得到的極大色散量；同時,光腔長度的增加意味著鎖模脈衝重複頻率下降;由光纖波導構成的諧振腔又能夠有效降低外界環境不穩定性的影響。因此,長腔的全正色散鎖模光纖激光器有望直接輸出穩定的高能量、低重複頻率的高啁啾寬脈衝。

2008年, Renninger等[14]利用60多米長的環形腔摻鐿全正色散鎖模光纖激光器產生了3.2MHz,15nJ 的鎖模脈衝。

2009年,M.Zhang等[15]利用長達1.6km的線形腔摻鐿光纖激光器在全正色散域獲得了191kHz,75.2nJ的鎖模脈衝輸出。實驗結構如下：

                                                   圖5 線形腔摻鐿光纖激光器實驗裝置結構圖

2010年，趙慧等[16]報道了一種長腔摻鐿鎖模光纖激光器，采用全單模光纖結構，腔內無色散補償元件，工作在全正色散域，僅引入窄帶濾波器參與耗散孤子的形成，通過延長單模光纖長度得到了重複頻率6.66MHz，功率12nJ和重複頻率5.05MHz，功率20nJ的耗散孤子脈衝。利用較短腔長產生了較高的單脈衝能量。結構如下圖：

圖6 全正色散鎖模摻鐿光纖激光器實驗裝置結構圖

自由空間光路由四分之一波片，二分之一波片和偏振分束器構成，與光纖中的弱雙折射和光克爾效應共同提供NPR機製。窄帶濾波器SF引入頻域的幅度調製。單模光纖SMF1分別取26.6m和36.7m，實現了不同脈衝輸出功率，和重複頻率。

而以往典型的全正色散鎖模摻鐿激光器一般工作在幾十甚至上百兆赫茲的重複頻率下,單脈衝能量隻能達到幾個納焦耳甚至更低[17]。可見長腔的全正色散鎖模光纖激光器在降低重複頻率、提高單脈衝能量方面具有很大的優勢。

2014年，吉林大學許陽等[18]利用自製的碳納米管薄膜（CNT）提供可飽和吸收效應，同樣使用窄帶濾波器SF窄化脈衝，引入耗散機製，產生耗散孤子。通過SF的一定長度的尾纖，使得腔長為15m，25m，49m。結構圖如下：

圖7 實驗裝置結構圖（采用CNT）

根據不同腔長得到了重複頻率13.3MHz，脈寬530ps，重複頻率8MHz，脈寬610ps以及重複頻率4.08MHz，脈寬720ps的脈衝。實現了耗散孤子的鎖模脈衝。

2015年，哈爾濱工業大學王玉寶等[19]使用單壁碳納米管和10m雙包層摻鐿光纖搭建超長腔鎖模光纖激光器。實現重複頻率199.8kHz，脈寬小於1ns的耗散孤子鎖模脈衝輸出。同樣，使用非線性偏振旋轉效應也實現了摻鐿耗散孤子鎖模光纖激光器。

2017年，北京郵電大學的劉紅玉等[20]搭建了腔長為500m的長腔被動鎖模激光器，獲得了重複頻率為390.118kHz，脈衝的能量大於100nJ的鎖模脈衝輸出。采用如下實驗結構：

圖8 實驗裝置結構圖

同時提出存在的問題：采用長腔來獲得高能量脈衝的方式面臨著腔長過長會引入過多的非線性效應以及色散等影響鎖模以及後續脈衝壓縮的問題，目前能夠壓縮到的脈衝寬度是理論變換極限值（transform-limited）的數倍。同時實驗驗證了高階色散不是影響脈衝不能壓縮到理論變換極限值的決定性因素。

總結一下，通過在大正色散的長腔內引入耗散機製或者直接利用增益介質本身的增益帶寬限製，便可抑製脈衝的分裂，配合主動鎖模或者被動鎖模結構，從而獲得高能量，低重頻的超短脈衝，在許多科研領域以及工程應用領域都具有著重要的應用價值和前景。相信經過相關科研人才的不懈努力與創造，該光纖激光器在該方向能夠有巨大的發展，從而促進社會發展，造福人類。

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