詳細(xì)探討基于可飽和吸收效應(yīng)被動(dòng)鎖模技術(shù)的發(fā)展情況

超快激光屬于超短脈沖，而鎖模是產(chǎn)生超短脈沖的主要手段，實(shí)現(xiàn)方式有主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模以及混合鎖模。從被動(dòng)鎖模光纖激光器產(chǎn)生鎖模脈沖的機(jī)理來(lái)看，波導(dǎo)介質(zhì)引起的群速度色散、非線性效應(yīng)，濾波器的頻譜濾波效應(yīng)，以及可飽和吸收體(SA)引起的自振幅調(diào)制效應(yīng)等物理過(guò)程之間的相互平衡是形成穩(wěn)定脈沖的關(guān)鍵因素。下面我們將詳細(xì)探討基于可飽和吸收效應(yīng)被動(dòng)鎖模技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)看超快激光的未來(lái)發(fā)展。

可飽和吸收體的分類

可飽和吸收體是利用非線性效應(yīng)產(chǎn)生超快光纖激光的被動(dòng)光調(diào)制器件，其光調(diào)制作用一般是指衰減光強(qiáng)的能力隨光強(qiáng)的增大而降低。

可飽和吸收體的實(shí)現(xiàn)方式分為真實(shí)飽和吸收體和 人造飽和吸收體 ，如圖1所示。

真實(shí)飽和吸收體包括半導(dǎo)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(huán)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(dòng)鎖模技術(shù)

合理選擇可飽和吸收體參數(shù)是獲得具有自啟動(dòng)、高環(huán)境穩(wěn)定性、脈沖參數(shù)可控等特點(diǎn)的超快光纖激光的核心技術(shù)。在被動(dòng)鎖模技術(shù)應(yīng)用中，各種可飽和吸收體被動(dòng)鎖模技術(shù)產(chǎn)生超短光纖激光的優(yōu)勢(shì)以及所面臨的問(wèn)題不同。

#1 非線性偏振演化(NPE)鎖模技術(shù)

非線性偏振旋轉(zhuǎn)演化鎖模技術(shù)是克爾效應(yīng)引起的不同偏振光產(chǎn)生不同非線性相移而實(shí)現(xiàn)可飽和吸收效應(yīng)的鎖模機(jī)制，具有波長(zhǎng)可調(diào)、調(diào)制深度大、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但是工作狀態(tài)會(huì)受到環(huán)境溫度、外部振動(dòng)、偏振退卻等因素的影響，使NPE等效的可飽和吸收體參數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間工作條件下易發(fā)生變化，導(dǎo)致鎖模狀態(tài)發(fā)生變化甚至失鎖，限制了NPR鎖模光纖激光器的實(shí)用化和商業(yè)化。

如何規(guī)避或者抵消NPE鎖模環(huán)境不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)？ 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(shù)問(wèn)題的兩個(gè)主要方向。

全保偏NPE鎖模

全保偏NPE鎖模的核心技術(shù)是將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖替換為保偏光纖，可以規(guī)避掉單模光纖弱雙折射效應(yīng)引起的調(diào)制不穩(wěn)定性，進(jìn)而提升激光腔的整體環(huán)境穩(wěn)定性。據(jù)悉，目前已經(jīng)報(bào)道的各類全保偏光纖NPE鎖模激光器可以有效地降低環(huán)境溫度等外界因素的影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模。

智能NPE鎖模

智能NPE鎖模的核心技術(shù)是通過(guò)智能算法與控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式，自動(dòng)反饋并自動(dòng)調(diào)控激光腔內(nèi)的偏振狀態(tài)。當(dāng)腔內(nèi)偏振狀態(tài)由于外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，智能系統(tǒng)可以迅速甄別并自動(dòng)調(diào)節(jié)偏振器件，進(jìn)而抵消掉NPE光纖激光器對(duì)環(huán)境的敏感性，提升NPE鎖模技術(shù)的主動(dòng)控制能力。

#2 非線性光環(huán)形鏡（NOLM）鎖模技術(shù)

利用Sagnac環(huán)產(chǎn)生強(qiáng)度相關(guān)的非線性相移差實(shí)現(xiàn)鎖模的激光器稱為NOLM鎖模激光器，類似于數(shù)字“8”，也稱為8字型腔激光器。

相比于NPR鎖模技術(shù)，NOLM鎖模機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是受環(huán)境溫度等因素的影響較小、響應(yīng)時(shí)間短、鎖模不受波段限制、產(chǎn)生的脈沖強(qiáng)度抖動(dòng)性小。缺點(diǎn)是NOLM 較難自啟動(dòng)，需要偏振控制器(PC)調(diào)節(jié)腔內(nèi)巨脈沖啟動(dòng)鎖模狀態(tài)。

弱雙折射單模光纖的環(huán)境穩(wěn)定性較差，無(wú)法形成環(huán)境穩(wěn)定鎖模，無(wú)法在溫度變化較大的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用；全光纖結(jié)構(gòu)的8字型腔的腔長(zhǎng)普遍較長(zhǎng)，產(chǎn)生的脈沖重復(fù)頻率通常低于20 MHz，無(wú)法在高重復(fù)頻率如頻率梳等應(yīng)用中使用。為了解決穩(wěn)定性以及拓展非線性環(huán)鎖模激光器的應(yīng)用空間，研究人員設(shè)計(jì)出了運(yùn)用全保偏光纖及器件改進(jìn)型的高環(huán)境穩(wěn)定性8字腔和高重復(fù)頻率9字腔激光器。

全保偏8字腔提升環(huán)境穩(wěn)定性的核心技術(shù)同全保偏NPE鎖模技術(shù)類似，都是將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖替換為保偏光纖，提升激光腔的環(huán)境穩(wěn)定性。不同之處在于，8字腔結(jié)構(gòu)不存在群速度失配的問(wèn)題，腔型設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖2所示。

圖2 全保偏8字型鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

高重復(fù)頻率9字腔 ，結(jié)構(gòu)如圖3所示，是為了滿足高重復(fù)頻率如光頻梳等應(yīng)用，通過(guò)縮短激光腔長(zhǎng)獲得高重復(fù)頻率激光輸出的最直接的技術(shù)。但對(duì)于NOLM激光器來(lái)說(shuō)，短腔無(wú)法保證積累足夠的非線性相移。

圖3 高重復(fù)頻率9字腔鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

隨著研究的進(jìn)一步深入， 基于NOLM鎖模技術(shù)逐漸成為商用高重復(fù)頻率超快光纖激光的主流鎖模技術(shù)。 與其他鎖模機(jī)制相比，NOLM鎖模技術(shù)對(duì)波長(zhǎng)不敏感，腔損耗可容忍度較大。為了提高波長(zhǎng)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(xiàn)階段，可見(jiàn)光波段(380~760 nm)超快激光的產(chǎn)生方式主要是鈦寶石激光器、光參量放大系統(tǒng)、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(guò)高、封裝體積過(guò)大、光路較復(fù)雜等。

可見(jiàn)光波段鎖模光纖激光器的發(fā)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(lán)光半導(dǎo)體激光器作為激勵(lì)源。另外，可見(jiàn)光波段的光纖器件的成熟、寬帶響應(yīng)的材料類飽和吸收體的快速發(fā)展，也為可見(jiàn)光波段鎖模光纖激光器的發(fā)展提供了動(dòng)力。

由于二維納米材料的寬帶響應(yīng)特性，可利用其作為可飽和吸收體在可見(jiàn)光波段光纖激光器中產(chǎn)生調(diào)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(diào)Q輸出的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化腔型，減少激光的線性損耗，增強(qiáng)飽和吸收特性。

#3 納米材料類飽和吸收體鎖模技術(shù)

納米材料類可飽和吸收體由于其工作波段寬、制備簡(jiǎn)單、成本低、易集成、恢復(fù)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，受到了行業(yè)廣泛關(guān)注，因而超快激光也得到了迅速發(fā)展，其缺點(diǎn)是熱損傷閾值較低、長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性有待提升。納米材料對(duì)光的吸收率隨入射光強(qiáng)的增加而減少時(shí)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(yīng)原理圖

近幾十年，SESAM得到了迅速的發(fā)展并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。SESAM主要由半導(dǎo)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(duì)指定波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)有效吸收，而在襯底層上交替鍍制的GaAs和AlAs層構(gòu)成的布拉格反射鏡決定了反射光譜。

SESAM被動(dòng)鎖模光纖激光器具有易于自啟動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、鎖模閾值低、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但其制造工藝復(fù)雜、成本較高以及不易于光纖集成等特點(diǎn)促使人們開(kāi)始尋找其他新型可飽和吸收體，如碳納米管、石墨烯、拓?fù)浣^緣體、過(guò)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(xué)特性與納米材料的本質(zhì)特性如帶隙結(jié)構(gòu)、非線性響應(yīng)系數(shù)、載流子濃度、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間等直接相關(guān)。二維納米材料與光、電相互作用的機(jī)理發(fā)展為研制具有光電調(diào)控特性的光纖激光器帶來(lái)了新的發(fā)展。比如石墨烯電光調(diào)制器，通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控該器件，獲得激光的調(diào)Q和鎖模輸出，具有很好的熱穩(wěn)定性和高功率穩(wěn)定性。

#4 非線性多模干涉(NLMMI)鎖模技術(shù)

基模從單模光纖耦合入多模光纖時(shí)會(huì)激發(fā)出高階模式，高階模式從多模光纖耦合回單模光纖后會(huì)產(chǎn)生非線性模式損耗。非線性多模干涉效應(yīng)可以充當(dāng)可飽和吸收體，其原理如圖6所示。NLMMI優(yōu)點(diǎn)是全光纖結(jié)構(gòu)、制備成本低，缺點(diǎn)是特殊結(jié)構(gòu)會(huì)增大腔損耗，可飽和吸收體參數(shù)的可調(diào)性、環(huán)境穩(wěn)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(zhì)中由于受到自相位調(diào)制(SPM)、互相位調(diào)制(XPM)效應(yīng)的影響,不同光功率的折射率產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響傳輸拍長(zhǎng)，通過(guò)控制光纖長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)可飽和吸收效應(yīng)的強(qiáng)弱控制。在多模光纖中，對(duì)于低功率信號(hào)，光束會(huì)由于芯徑失配而產(chǎn)生發(fā)散；對(duì)于高功率信號(hào)，自聚焦效應(yīng)使得激光耦合進(jìn)單模光纖中繼續(xù)傳輸。

多模光纖結(jié)構(gòu)激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出穩(wěn)定、脈沖輸出類型多樣，但是仍然存在環(huán)境不穩(wěn)定性、調(diào)控不方便等缺點(diǎn)，具有深入研究的空間。

#5 Mamyshev鎖模技術(shù)

為了進(jìn)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(yīng)用在通信領(lǐng)域。Mamyshev可飽和吸收體的調(diào)制深度為100%，因此可以抑制噪聲、連續(xù)光成分破壞脈沖輸出，缺點(diǎn)是不能夠自啟動(dòng)，需要注入初始的脈沖信號(hào)，這是由于低峰值激光無(wú)法保證足夠的非線性效應(yīng)展寬光譜。

盡管如此，Mamyshev振蕩器在產(chǎn)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(guò)兩段大模場(chǎng)保偏摻鐿增益光纖，實(shí)現(xiàn)了13 MW峰值功率的激光脈沖輸出。這已經(jīng)超過(guò)了傳統(tǒng)商用鈦藍(lán)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(tǒng)商用鈦藍(lán)寶石激光器。

圖7 環(huán)形 Mamyshev振蕩器示意圖

克爾非線性效應(yīng)導(dǎo)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(yīng)來(lái)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(guò)使用大模場(chǎng)光纖或分脈沖放大等技術(shù)進(jìn)一步放大，通過(guò)這些技術(shù)可以直接從振蕩器中獲得微焦耳級(jí)的100 MW脈沖，進(jìn)一步推動(dòng)了光纖激光器的商業(yè)化應(yīng)用。

結(jié) 語(yǔ)

鎖模光纖激光器具有良好的工作穩(wěn)定性、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，而且受益于光纖通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光纖相關(guān)器件通常價(jià)格較為便宜。因此鎖模光纖激光器在高速光纖通信、微機(jī)械加工、生物醫(yī)學(xué)、精密計(jì)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，利用各種非線性可飽和吸收效應(yīng)鎖模機(jī)理，設(shè)計(jì)出更加穩(wěn)定、便宜、便攜的超快激光光源，將有助于推動(dòng)超快光纖激光器向著更加成熟的方向發(fā)展。