飛秒光纖激光器研究進展

1960年7月7日，《紐約時報》披露美國物理學家Maiman將多圈環形閃光燈入射到一塊手指頭大小的紅寶石中，獲得了相干脈衝激光光束，這標誌著世界第一台激光器一一紅寶石激光器的誕生。激光器在光全息、相干光學計量等技術領域中具有重要的應用前景。與傳統的固體、液體和氣體激光器相比，光纖激光器由於具有光束質量好、光光轉換效率高、工作波長可調、製造成本低、結構緊湊簡單、易於實現集成化和環境穩定性好等優點而引起人們廣泛地關注相對於連續光纖激光器，飛秒脈衝光纖激光器輸出的激光脈衝具有超高的峰值功率(可到兆瓦量級)和超短的脈衝寬度，這使得飛秒脈衝光纖激光器在信息傳輸、科學研究、機械加工等領域中具有突出的應用價值。近年來，飛秒脈衝光纖激光器因為在工業控制、大氣監測、有毒氣體探測、生物醫療、國防、光學感測和光學成像等領域中都具有潛在的應用而成為人們研究的熱點。

目前，光纖激光器獲取飛秒量級超短脈衝的有效方法是利用被動鎖模技術。被動鎖模技術，簡單地說，是將諧振腔內隨機的相鄰的縱模模式產生固定的相位關係，以一定的頻率穩定輸出超短脈衝的一種技術。

在光纖激光器內進行被動鎖模，最常用的方法有以下三種: 可飽和吸收體(saturahle absorbers)；非線性偏振旋轉(nonlinear polarisation rotation)；非線性光纖環形鏡(nonlinear fiber loop mirors)。下面將會介紹最近幾年的國內外實現飛秒脈衝的研究現狀。

2016年，Wolfgang H?nsel等人設計了一種融合了NOLM的透射型和反射型的全保偏結構實現了輸出飛秒脈衝。並用摻銩，摻鉺，摻鈥銩光纖進行對比。實現了脈寬分別為：84, 72, 240 fs的脈衝，其輸出功率分別為10 mW, 3 mW, 4.6 mW，中心波長分別為1030, 1565, and2050 nm。但由於不是全光纖，導致了穩定性不是很好。

圖1 激光器結構圖

如圖1所示左邊的環形結構為NOLM結構，其全部光纖都為保偏型光纖，這樣，有利於光在光纖中傳輸的穩定，但其線性部分使用了體元件，破壞了結構的穩定性。

圖2 摻銩，摻鉺，摻鈥銩光纖光譜圖

圖2為摻銩，摻鉺，摻鈥銩光纖的3dB帶寬，分別為23nm,43nm,24nm，可以看出摻銩和銩鈥共摻的光纖的帶寬較窄。因此，用來產生窄脈寬是最好的選擇。

2017年，PARVIZ ELAHI等人利用了非線性偏振旋轉效應並同時採用了色散管理的方法實現了高重頻的飛秒脈衝，這是首次具有無外部可飽和吸收元件的全光纖結構的千兆赫茲腔。其重複頻率達到970MHz。脈寬為340 fs, 中心波長為1950nm。但恰恰由於沒有可飽和吸收體，導致了系統結構龐大。

圖3為PARVIZ ELAHI等等人所設計的激光器結構圖

從圖3中可以看出該激光器結構體積龐大，不利於激光器的小型化。

圖4 使用模擬軟體模擬激光器內部的脈衝運行圖

該作者還通過模擬來模擬激光器內脈衝的運行狀況，圖4(A)模擬振蕩器腔內的脈衝寬度和光譜演化。4(B)模擬脈衝寬度和沿振蕩器輸出的放大器系統的光譜演化。其模擬結果與實際結果擬合較好。

同一年，在國內，Xing Li, Miaomiao Wu等人採用了非線性偏振旋轉效應以及色散管理的方法，最後再通過光柵對的壓縮實現了飛秒脈衝的輸出。

圖5 激光器結構圖

如圖5，該結構中並沒有使用全光纖化結構，但使用了光柵對進行壓縮後脈寬為514fs。

圖6(A)以300hz解析度帶寬測量的基模拍頻射頻頻譜；(B)75MHz跨度10 kHz解析度帶寬測量的諧波射頻頻譜。

圖6中示出了基本模式拍的射頻頻譜。圖6(A).基頻的信噪比高達80 db，解析度為300 hz，在1 mhz的頻率範圍內沒有觀察到邊帶。圖3(B)給出了頻率高達75 Mhz的10 khz解析度的射頻頻譜。

圖7 脈衝自相關跡圖

如圖7，壓縮脈衝的自相關跡（黑實線）。藍色破折號曲線是譜的傅立葉變換。插圖是基於模式鎖定的NPE的光譜。可以看出使用光柵對壓縮脈衝後脈寬為514fs。

2018年，M J Hekmat, A Gholami等人雖然使用了線性腔結構，但採用了SESAM作為可飽和吸收體壓縮脈寬。

圖8 激光器結構圖

如圖8為其結構圖，LD為泵浦源，泵浦摻鉺光纖，SESAM以及FRM構成線性諧振腔。通過法拉第旋轉鏡（FRM）改變偏振態。

圖9 激光器輸出結果圖

左圖是通過示波器看到的圖，其脈寬為135fs，右圖為光譜圖，其中心波長1582nm.從中可以看出使用FRM有較好的效果，在線性腔中通過調節FRM就能夠實現脈寬為135fs的脈衝光。

通過查找最近幾年的文獻，可以發現未來飛秒脈衝的產生將主要依靠可飽和吸收體，非線性偏振旋轉，非線性光纖環形鏡這三種方法，並且飛秒的產生將會向長波段發展，未來出現中紅外的飛秒光纖激光器也並不是沒有可能。

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