詳細探討基于可飽和吸收效應被動鎖模技術的發展情況

超快激光屬于超短脈沖，而鎖模是產生超短脈沖的主要手段，實現方式有主動鎖模、被動鎖模以及混合鎖模。從被動鎖模光纖激光器產生鎖模脈沖的機理來看，波導介質引起的群速度色散、非線性效應，濾波器的頻譜濾波效應，以及可飽和吸收體(SA)引起的自振幅調制效應等物理過程之間的相互平衡是形成穩定脈沖的關鍵因素。下面我們將詳細探討基于可飽和吸收效應被動鎖模技術的發展情況來看超快激光的未來發展。

可飽和吸收體的分類

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

可飽和吸收體的實現方式分為真實飽和吸收體和 人造飽和吸收體 ，如圖1所示。

真實飽和吸收體包括半導體可飽和吸收鏡(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

合理選擇可飽和吸收體參數是獲得具有自啟動、高環境穩定性、脈沖參數可控等特點的超快光纖激光的核心技術。在被動鎖模技術應用中，各種可飽和吸收體被動鎖模技術產生超短光纖激光的優勢以及所面臨的問題不同。

#1 非線性偏振演化(NPE)鎖模技術

非線性偏振旋轉演化鎖模技術是克爾效應引起的不同偏振光產生不同非線性相移而實現可飽和吸收效應的鎖模機制，具有波長可調、調制深度大、響應時間短等優點，但是工作狀態會受到環境溫度、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在長時間工作條件下易發生變化，導致鎖模狀態發生變化甚至失鎖，限制了NPR鎖模光纖激光器的實用化和商業化。

如何規避或者抵消NPE鎖模環境不穩定性的缺點？ 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鎖模的核心技術是將標準單模光纖替換為保偏光纖，可以規避掉單模光纖弱雙折射效應引起的調制不穩定性，進而提升激光腔的整體環境穩定性。據悉，目前已經報道的各類全保偏光纖NPE鎖模激光器可以有效地降低環境溫度等外界因素的影響，實現穩定鎖模。

智能NPE鎖模

智能NPE鎖模的核心技術是通過智能算法與控制系統相結合的方式，自動反饋并自動調控激光腔內的偏振狀態。當腔內偏振狀態由于外部環境發生變化時，智能系統可以迅速甄別并自動調節偏振器件，進而抵消掉NPE光纖激光器對環境的敏感性，提升NPE鎖模技術的主動控制能力。

#2 非線性光環形鏡（NOLM）鎖模技術

利用Sagnac環產生強度相關的非線性相移差實現鎖模的激光器稱為NOLM鎖模激光器，類似于數字“8”，也稱為8字型腔激光器。

相比于NPR鎖模技術，NOLM鎖模機制的優點是受環境溫度等因素的影響較小、響應時間短、鎖模不受波段限制、產生的脈沖強度抖動性小。缺點是NOLM 較難自啟動，需要偏振控制器(PC)調節腔內巨脈沖啟動鎖模狀態。

弱雙折射單模光纖的環境穩定性較差，無法形成環境穩定鎖模，無法在溫度變化較大的工業環境中應用；全光纖結構的8字型腔的腔長普遍較長，產生的脈沖重復頻率通常低于20 MHz，無法在高重復頻率如頻率梳等應用中使用。為了解決穩定性以及拓展非線性環鎖模激光器的應用空間，研究人員設計出了運用全保偏光纖及器件改進型的高環境穩定性8字腔和高重復頻率9字腔激光器。

全保偏8字腔提升環境穩定性的核心技術同全保偏NPE鎖模技術類似，都是將標準單模光纖替換為保偏光纖，提升激光腔的環境穩定性。不同之處在于，8字腔結構不存在群速度失配的問題，腔型設計相對簡單，如圖2所示。

圖2 全保偏8字型鎖模光纖激光器實驗裝置圖

高重復頻率9字腔 ，結構如圖3所示，是為了滿足高重復頻率如光頻梳等應用，通過縮短激光腔長獲得高重復頻率激光輸出的最直接的技術。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 高重復頻率9字腔鎖模光纖激光器實驗裝置圖

隨著研究的進一步深入， 基于NOLM鎖模技術逐漸成為商用高重復頻率超快光纖激光的主流鎖模技術。 與其他鎖模機制相比，NOLM鎖模技術對波長不敏感，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。

現階段，可見光波段(380~760 nm)超快激光的產生方式主要是鈦寶石激光器、光參量放大系統、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、光路較復雜等。

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

由于二維納米材料的寬帶響應特性，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生調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Q輸出的基礎上進一步優化腔型，減少激光的線性損耗，增強飽和吸收特性。

#3 納米材料類飽和吸收體鎖模技術

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、恢復時間快等優點，受到了行業廣泛關注，因而超快激光也得到了迅速發展，其缺點是熱損傷閾值較低、長時間工作穩定性有待提升。納米材料對光的吸收率隨入射光強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原理圖

近幾十年，SESAM得到了迅速的發展并實現了商業化。SESAM主要由半導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現有效吸收，而在襯底層上交替鍍制的GaAs和AlAs層構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、結構簡單、性能穩定、鎖模閾值低、響應時間短等優點，但其制造工藝復雜、成本較高以及不易于光纖集成等特點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、拓撲絕緣體、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特性與納米材料的本質特性如帶隙結構、非線性響應系數、載流子濃度、響應恢復時間等直接相關。二維納米材料與光、電相互作用的機理發展為研制具有光電調控特性的光纖激光器帶來了新的發展。比如石墨烯電光調制器，通過電場調控該器件，獲得激光的調Q和鎖模輸出，具有很好的熱穩定性和高功率穩定性。

#4 非線性多模干涉(NLMMI)鎖模技術

基模從單模光纖耦合入多模光纖時會激發出高階模式，高階模式從多模光纖耦合回單模光纖后會產生非線性模式損耗。非線性多模干涉效應可以充當可飽和吸收體，其原理如圖6所示。NLMMI優點是全光纖結構、制備成本低，缺點是特殊結構會增大腔損耗，可飽和吸收體參數的可調性、環境穩定性較差。

圖6 非線性多模干涉可飽和吸收體原理圖

在非線性介質中由于受到自相位調制(SPM)、互相位調制(XPM)效應的影響,不同光功率的折射率產生差異，進而影響傳輸拍長，通過控制光纖長度可以實現可飽和吸收效應的強弱控制。在多模光纖中，對于低功率信號，光束會由于芯徑失配而產生發散；對于高功率信號，自聚焦效應使得激光耦合進單模光纖中繼續傳輸。

多模光纖結構激光器結構簡單、輸出穩定、脈沖輸出類型多樣，但是仍然存在環境不穩定性、調控不方便等缺點，具有深入研究的空間。

#5 Mamyshev鎖模技術

為了進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，隨后被應用在通信領域。Mamyshev可飽和吸收體的調制深度為100%，因此可以抑制噪聲、連續光成分破壞脈沖輸出，缺點是不能夠自啟動，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展寬光譜。

盡管如此，Mamyshev振蕩器在產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，實現了13 MW峰值功率的激光脈沖輸出。這已經超過了傳統商用鈦藍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，并有望替代傳統商用鈦藍寶石激光器。

圖7 環形 Mamyshev振蕩器示意圖

克爾非線性效應導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進一步放大，通過這些技術可以直接從振蕩器中獲得微焦耳級的100 MW脈沖，進一步推動了光纖激光器的商業化應用。

結 語

鎖模光纖激光器具有良好的工作穩定性、易于維護等優點，而且受益于光纖通信產業的發展，光纖相關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、微機械加工、生物醫學、精密計量等領域有著廣泛的應用前景。隨著應用領域的不斷拓展，利用各種非線性可飽和吸收效應鎖模機理，設計出更加穩定、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展。