详细探讨基于可饱和吸收效应被动锁模技术的发展情况

超快激光属于超短脉冲，而锁模是产生超短脉冲的主要手段，实现方式有主动锁模、被动锁模以及混合锁模。从被动锁模光纤激光器产生锁模脉冲的机理来看，波导介质引起的群速度色散、非线性效应，滤波器的频谱滤波效应，以及可饱和吸收体(SA)引起的自振幅调制效应等物理过程之间的相互平衡是形成稳定脉冲的关键因素。下面我们将详细探讨基于可饱和吸收效应被动锁模技术的发展情况来看超快激光的未来发展。

可饱和吸收体的分类

可饱和吸收体是利用非线性效应产生超快光纤激光的被动光调制器件，其光调制作用一般是指衰减光强的能力随光强的增大而降低。

可饱和吸收体的实现方式分为真实饱和吸收体和 人造饱和吸收体 ，如图1所示。

真实饱和吸收体包括半导体可饱和吸收镜(SESAM)和纳米材料；人造可饱和吸收体包括非线性偏振演化(NPE)、非线性光环形镜(NOLM ) 、非线性多模干涉(NLMMI)和Mamyshev再生器(Mamyshev)。

图1 可饱和吸收体分类图

不同类别可饱和吸收体被动锁模技术

合理选择可饱和吸收体参数是获得具有自启动、高环境稳定性、脉冲参数可控等特点的超快光纤激光的核心技术。在被动锁模技术应用中，各种可饱和吸收体被动锁模技术产生超短光纤激光的优势以及所面临的问题不同。

#1 非线性偏振演化(NPE)锁模技术

非线性偏振旋转演化锁模技术是克尔效应引起的不同偏振光产生不同非线性相移而实现可饱和吸收效应的锁模机制，具有波长可调、调制深度大、响应时间短等优点，但是工作状态会受到环境温度、外部振动、偏振退却等因素的影响，使NPE等效的可饱和吸收体参数在长时间工作条件下易发生变化，导致锁模状态发生变化甚至失锁，限制了NPR锁模光纤激光器的实用化和商业化。

如何规避或者抵消NPE锁模环境不稳定性的缺点？ 近几年，全保偏光纤NPE锁模和智能NPE锁模逐渐成为解决NPE技术问题的两个主要方向。

全保偏NPE锁模

全保偏NPE锁模的核心技术是将标准单模光纤替换为保偏光纤，可以规避掉单模光纤弱双折射效应引起的调制不稳定性，进而提升激光腔的整体环境稳定性。据悉，目前已经报道的各类全保偏光纤NPE锁模激光器可以有效地降低环境温度等外界因素的影响，实现稳定锁模。

智能NPE锁模

智能NPE锁模的核心技术是通过智能算法与控制系统相结合的方式，自动反馈并自动调控激光腔内的偏振状态。当腔内偏振状态由于外部环境发生变化时，智能系统可以迅速甄别并自动调节偏振器件，进而抵消掉NPE光纤激光器对环境的敏感性，提升NPE锁模技术的主动控制能力。

#2 非线性光环形镜（NOLM）锁模技术

利用Sagnac环产生强度相关的非线性相移差实现锁模的激光器称为NOLM锁模激光器，类似于数字“8”，也称为8字型腔激光器。

相比于NPR锁模技术，NOLM锁模机制的优点是受环境温度等因素的影响较小、响应时间短、锁模不受波段限制、产生的脉冲强度抖动性小。缺点是NOLM 较难自启动，需要偏振控制器(PC)调节腔内巨脉冲启动锁模状态。

弱双折射单模光纤的环境稳定性较差，无法形成环境稳定锁模，无法在温度变化较大的工业环境中应用；全光纤结构的8字型腔的腔长普遍较长，产生的脉冲重复频率通常低于20 MHz，无法在高重复频率如频率梳等应用中使用。为了解决稳定性以及拓展非线性环锁模激光器的应用空间，研究人员设计出了运用全保偏光纤及器件改进型的高环境稳定性8字腔和高重复频率9字腔激光器。

全保偏8字腔提升环境稳定性的核心技术同全保偏NPE锁模技术类似，都是将标准单模光纤替换为保偏光纤，提升激光腔的环境稳定性。不同之处在于，8字腔结构不存在群速度失配的问题，腔型设计相对简单，如图2所示。

图2 全保偏8字型锁模光纤激光器实验装置图

高重复频率9字腔 ，结构如图3所示，是为了满足高重复频率如光频梳等应用，通过缩短激光腔长获得高重复频率激光输出的最直接的技术。但对于NOLM激光器来说，短腔无法保证积累足够的非线性相移。

图3 高重复频率9字腔锁模光纤激光器实验装置图

随着研究的进一步深入， 基于NOLM锁模技术逐渐成为商用高重复频率超快光纤激光的主流锁模技术。 与其他锁模机制相比，NOLM锁模技术对波长不敏感，腔损耗可容忍度较大。为了提高波长覆盖范围，氟化物玻璃(ZBLAN)光纤8字腔锁模光纤激光器成为热门研究方向。

现阶段，可见光波段(380~760 nm)超快激光的产生方式主要是钛宝石激光器、光参量放大系统、近红外波段的倍频等。与近红外波段(1 μm、1.5 μm、2 μm 等波段)锁模光纤激光器相比，这些方式的不足之处在于成本过高、封装体积过大、光路较复杂等。

可见光波段锁模光纤激光器的发展依赖于高增益、低损耗的ZBLAN光纤的制备，同样也依赖于高能量蓝光半导体激光器作为激励源。另外，可见光波段的光纤器件的成熟、宽带响应的材料类饱和吸收体的快速发展，也为可见光波段锁模光纤激光器的发展提供了动力。

由于二维纳米材料的宽带响应特性，可利用其作为可饱和吸收体在可见光波段光纤激光器中产生调Q脉冲输出。虽然光纤激光器相比于固体激光器损耗容忍度更大，但是要获得锁模脉冲输出，需要在已获得调Q输出的基础上进一步优化腔型，减少激光的线性损耗，增强饱和吸收特性。

#3 纳米材料类饱和吸收体锁模技术

纳米材料类可饱和吸收体由于其工作波段宽、制备简单、成本低、易集成、恢复时间快等优点，受到了行业广泛关注，因而超快激光也得到了迅速发展，其缺点是热损伤阈值较低、长时间工作稳定性有待提升。纳米材料对光的吸收率随入射光强的增加而减少时材料具有可饱和吸收特性，如图4所示。

图4 纳米材料类可饱和吸收效应原理图

近几十年，SESAM得到了迅速的发展并实现了商业化。SESAM主要由半导体可饱和吸收体和布拉格反射镜组成，以InGaAs量子阱作为可饱和吸收体可以对指定波长实现有效吸收，而在衬底层上交替镀制的GaAs和AlAs层构成的布拉格反射镜决定了反射光谱。

SESAM被动锁模光纤激光器具有易于自启动、结构简单、性能稳定、锁模阈值低、响应时间短等优点，但其制造工艺复杂、成本较高以及不易于光纤集成等特点促使人们开始寻找其他新型可饱和吸收体，如碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物、黑磷、MXene、钙钛矿、锑烯、铋烯等新型材料，如图5所示。

图5 新型纳米材料类可饱和吸收体

纳米材料光器件的光学特性与纳米材料的本质特性如带隙结构、非线性响应系数、载流子浓度、响应恢复时间等直接相关。二维纳米材料与光、电相互作用的机理发展为研制具有光电调控特性的光纤激光器带来了新的发展。比如石墨烯电光调制器，通过电场调控该器件，获得激光的调Q和锁模输出，具有很好的热稳定性和高功率稳定性。

#4 非线性多模干涉(NLMMI)锁模技术

基模从单模光纤耦合入多模光纤时会激发出高阶模式，高阶模式从多模光纤耦合回单模光纤后会产生非线性模式损耗。非线性多模干涉效应可以充当可饱和吸收体，其原理如图6所示。NLMMI优点是全光纤结构、制备成本低，缺点是特殊结构会增大腔损耗，可饱和吸收体参数的可调性、环境稳定性较差。

图6 非线性多模干涉可饱和吸收体原理图

在非线性介质中由于受到自相位调制(SPM)、互相位调制(XPM)效应的影响,不同光功率的折射率产生差异，进而影响传输拍长，通过控制光纤长度可以实现可饱和吸收效应的强弱控制。在多模光纤中，对于低功率信号，光束会由于芯径失配而产生发散；对于高功率信号，自聚焦效应使得激光耦合进单模光纤中继续传输。

多模光纤结构激光器结构简单、输出稳定、脉冲输出类型多样，但是仍然存在环境不稳定性、调控不方便等缺点，具有深入研究的空间。

#5 Mamyshev锁模技术

为了进一步提升光纤激光器的峰值功率，一种新型光纤振荡器即Mamyshev被提出，如图7。Mamyshev再生放大最早于1998年由Mamyshev提出，随后被应用在通信领域。Mamyshev可饱和吸收体的调制深度为100%，因此可以抑制噪声、连续光成分破坏脉冲输出，缺点是不能够自启动，需要注入初始的脉冲信号，这是由于低峰值激光无法保证足够的非线性效应展宽光谱。

尽管如此，Mamyshev振荡器在产生高峰值功率上的巨大潜力吸引了研究人员的注意。2020年，研究人员通过两段大模场保偏掺镱增益光纤，实现了13 MW峰值功率的激光脉冲输出。这已经超过了传统商用钛蓝宝石激光器的输出峰值功率，足以证明Mamyshev振荡器的巨大潜力，并有望替代传统商用钛蓝宝石激光器。

图7 环形 Mamyshev振荡器示意图

克尔非线性效应导致的光谱展宽是连接两部分光放大的桥梁，利用非线性效应来获得高峰值功率超短脉冲。获得的脉冲能量和峰值功率还可以通过使用大模场光纤或分脉冲放大等技术进一步放大，通过这些技术可以直接从振荡器中获得微焦耳级的100 MW脉冲，进一步推动了光纤激光器的商业化应用。

结 语

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。随着应用领域的不断拓展，利用各种非线性可饱和吸收效应锁模机理，设计出更加稳定、便宜、便携的超快激光光源，将有助于推动超快光纤激光器向着更加成熟的方向发展。