高損傷閾值可飽和吸收體鎖模脈沖光纖激光器的研究進(jìn)展*

崔文文 邢笑偉 肖悅嘉 劉文軍

(北京郵電大學(xué)理學(xué)院,信息光子與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100876)

光纖激光器作為推動(dòng)各領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)硬件,在軌道交通、光纖通信、新材料制造、動(dòng)力電池加工、軍事國防和醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.光纖激光器被動(dòng)鎖模技術(shù)的核心器件是可飽和吸收體,它對(duì)光纖激光器實(shí)現(xiàn)高能量、窄脈寬、大功率的激光輸出起決定性作用.依托傳統(tǒng)材料和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可飽和吸收體,由于無散熱機(jī)制,光作用到材料上的光斑大小與光纖出射直徑幾乎相同,容易超過可飽和吸收體的損傷閾值從而造成損壞.因此,調(diào)整可飽和吸收體制備工藝和結(jié)構(gòu),對(duì)于提高可飽和吸收體的損傷閾值,實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良、穩(wěn)定性高的脈沖激光具有重要意義.本文綜述了高損傷閾值可飽和吸收體國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,指出了高損傷閾值可飽和吸收體可能的發(fā)展方向.

1 引言

超快激光技術(shù)相比傳統(tǒng)脈沖和連續(xù)激光技術(shù)具有高功率、窄脈寬、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1?5].近年來,超快光纖激光器在通信、軍事、醫(yī)療以及工業(yè)制造等諸多領(lǐng)域內(nèi)均獲得了大規(guī)模的應(yīng)用[6,7].超快光纖激光器結(jié)合了超快技術(shù)與光纖激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了脈沖光與材料之間的快速相互作用,電子吸收與運(yùn)動(dòng)方式在瞬間注入作用區(qū)的高能量密度下發(fā)生改變,快速的相互作用降低了能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化和熱擴(kuò)散[8],因此,超快光纖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)高能量大功率的鎖模脈沖激光輸出.然而,高能量的注入對(duì)材料的損傷閾值提出了更高的要求.

鎖模技術(shù)的出現(xiàn)開辟了超快激光的時(shí)代.早在1990年,改進(jìn)后的被動(dòng)鎖模光纖激光器實(shí)現(xiàn)了飛秒量級(jí)的鎖模脈沖輸出[9].鎖模技術(shù)主要分為主動(dòng)鎖模技術(shù)與被動(dòng)鎖模技術(shù).主動(dòng)鎖模技術(shù)利用電光、聲光調(diào)制器通過同步調(diào)制頻率與縱模間隔頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖振幅的調(diào)制,從而達(dá)到鎖模的目的,由于其重復(fù)頻率可調(diào)諧,可與外部電脈沖信號(hào)合成,易于獲得高重頻光脈沖序列,被廣泛應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域.但主動(dòng)鎖模器件引入了周期性的損耗,脈寬僅能達(dá)到皮秒量級(jí).因此,被動(dòng)鎖模成為產(chǎn)生飛秒激光的首選方案.

被動(dòng)鎖模技術(shù)一般包括兩種:基于真實(shí)材料的可飽和吸收體(saturable absorber,SA)與等效SA的結(jié)構(gòu).利用這兩種不同的SA實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的窄化,避免了光學(xué)調(diào)制器的引入,簡(jiǎn)化了光纖激光器,使得鎖模激光狀態(tài)更穩(wěn)定.然而,由于高能量激光與材料的快速相互作用,容易造成鎖模器件的損壞.因此,通過對(duì)SA損傷機(jī)制的研究,制備不同特性的高損傷閾值SA對(duì)光纖激光器被動(dòng)鎖模的發(fā)展具有重要意義.對(duì)于SA,最常用的結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror,SESAM).1990年,Keller等[10]就對(duì)其可飽和吸收效應(yīng)進(jìn)行了研究,SESAM目前是商業(yè)和科研領(lǐng)域較成熟的鎖模器件,但由于其可飽和吸收帶寬窄等缺點(diǎn),研究人員不斷尋找能夠進(jìn)行等效替代的新型材料.以石墨烯、碳納米管、過渡金屬二鹵化物[11]、鈣鈦礦薄膜、拓?fù)洳牧蟍12]等為代表的SA均取得了較好的鎖模效果,但制備的SA器件的低損傷閾值限制了其應(yīng)用,且它的鎖模能量與等效SA結(jié)構(gòu)相比普遍較低.因此,對(duì)于光纖激光器SA的優(yōu)化方向一方面是探索高損傷閾值的SA,另一方面是從等效SA入手,對(duì)于其脈沖偏振過程進(jìn)行可控調(diào)制.

2 高損傷閾值SA的全光纖激光器

2.1 高損傷閾值SA的制備方法

目前,高損傷閾值SA作為光纖激光器被動(dòng)鎖模技術(shù)中的核心器件,具有損傷閾值高、能實(shí)現(xiàn)更高功率和更大能量的激光輸出的特點(diǎn).基于材料的高損傷閾值SA主要利用的是材料本身與光強(qiáng)相關(guān)的非線性效應(yīng).早在20世紀(jì)70年代,SA已被用于被動(dòng)鎖模中,當(dāng)入射光脈沖照射到SA表面時(shí),載流子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài),在激發(fā)態(tài)下,基態(tài)離子逐漸被耗盡,激發(fā)態(tài)離子達(dá)到飽和,此時(shí)吸收達(dá)到了飽和[13],隨后激發(fā)態(tài)離子伴隨熱穩(wěn)定過程回到基態(tài),發(fā)出相應(yīng)光脈沖.脈沖光在經(jīng)過SA時(shí),由于SA對(duì)光強(qiáng)的選擇透過性,使得高強(qiáng)度部分的光通過而低強(qiáng)度的光被濾除,實(shí)現(xiàn)窄化光脈沖的作用.

激光在與材料短時(shí)間相互作用的過程中,容易出現(xiàn)由于SA損傷閾值低導(dǎo)致鎖模器件損壞的現(xiàn)象,而通過制備不同特性的高損傷閾值SA可解決這一問題.以二維材料為代表的SA因其高損傷閾值特性進(jìn)入研究者的視野.傳統(tǒng)二維材料制備可由層狀材料剝離獲得,由于其只有單原子層厚度或少數(shù)原子層厚度,決定了電子只能從二維平面上運(yùn)動(dòng),也因此奠定了其優(yōu)異的物理性質(zhì).隨著材料層數(shù)的減少,材料的能帶結(jié)構(gòu)及載流子遷移率都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,二維材料的原子結(jié)構(gòu)將直接影響材料的線性和非線性光學(xué)性能.

目前獲得單層或少層二維材料的方法有機(jī)械剝離法(mechanical exfoliation,ME)[14]、化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD)[15]、脈沖激光沉積(pulsed laser deposition,PLD)[16]、磁控濺射法(magnetron sputtering,MS)[17]和分子束外沿法(molecular beam epitaxy,MBE)[18]等.迄今為止使用最廣泛的方法是ME和CVD.ME的材料通常具有良好的性能,通過ME得到的單層石墨烯電子遷移率較高.然而,ME的方法不適于調(diào)控材料的面積和厚度,無法批量生產(chǎn).但CVD可以簡(jiǎn)便地大面積生產(chǎn)二維材料薄膜,較多研究團(tuán)隊(duì)利用CVD方法制備了單一材料高損傷閾值的SA,并實(shí)現(xiàn)了高功率、窄脈寬的激光輸出.為了結(jié)合多種二維材料的優(yōu)異光學(xué)特性,規(guī)避材料帶隙或能帶結(jié)構(gòu)差異巨大帶來的缺點(diǎn),根據(jù)需要定制個(gè)性化器件,較多研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了異質(zhì)結(jié)材料的研究.異質(zhì)結(jié)構(gòu)的提出也有利于實(shí)現(xiàn)高損傷閾值SA的可控制備.2018年,Liu等[19]采用MS技術(shù)制備了MoS2-Sb2Te3-MoS2異質(zhì)結(jié),實(shí)現(xiàn)了脈寬286 fs的高損傷閾值、高功率、大調(diào)制深度、具有良好穩(wěn)定性的脈沖激光輸出.

除了傳統(tǒng)材料制備方法外,有關(guān)材料制備中的溶膠-凝膠法因分子水平均勻性較好而引起關(guān)注.2019 年,Chen等[20]采用溶膠-凝膠方法制備固態(tài)氧化石墨烯—SiO2SA,其光學(xué)損傷閾值高達(dá)50.69 GW/cm2,實(shí)現(xiàn)了脈寬582 fs、最大輸出功率17.58 mW的脈沖激光.2020 年,Chen 等[21]同樣將溶膠-凝膠方法用于CNT-SiO2測(cè)得其損傷閾值為52.05 GW/cm2,并實(shí)現(xiàn)了456 fs的孤子鎖模脈沖激光輸出.通過溶膠-凝膠法制備出的SA很明顯具備高損傷閾值的特性,也將是未來光纖激光器SA提高損傷閾值的方法之一.

除了溶膠-凝膠法制備高損傷閾值SA之外,關(guān)于無機(jī)物襯底的選擇也影響著SA的特性.2021年,Liu等[22]通過以氟云母(fluormica,FM)為襯底采用MS技術(shù)制備氮化硼的方法實(shí)現(xiàn)了高損傷閾值SA的制備,利用FM良好散熱性能和較低插入損耗的特點(diǎn)輸出了脈寬237 fs、平均輸出功率35.39 mW的脈沖激光.2015年,Li等[23]通過制備硫化鎢/FM SA發(fā)現(xiàn)其損傷閾值高達(dá)406 MW/cm2,是硫化鎢/聚合物吸收體的2倍.2020年,Liu等[24]也通過制備Mo2C-FM SA實(shí)現(xiàn)了激光脈沖脈寬和平均輸出功率分別為313 fs和64.74 mW的輸出,并在近紅外波段傳輸率達(dá)到90%.因此,FM作為SA的襯底不僅極大地提高了SA的損傷閾值,而且對(duì)激光脈沖的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)化具有重要意義.像無機(jī)物SiO2除了作為提高損傷閾值的襯底以外,對(duì)于光纖激光器的非線性效應(yīng)也具有重要的作用,2020年,Zhang等[25]報(bào)道了一種具有多層放大自發(fā)輻射(ASE)吸收膜的連續(xù)波端面泵浦Nd:YVη4激光器,其中的涂層采用的是SiO2-Ti-SiO2-Ti-Au五層結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示出良好的ASE控制性能.無論是SiO2還是FM,通過選取不同的耐高溫?zé)o機(jī)物作為SA襯底的方法在目前看來可有效提高SA的損傷閾值,對(duì)光纖激光器的發(fā)展起著關(guān)鍵基礎(chǔ)性作用.

無機(jī)物襯底與溶膠凝膠法可以有效提高SA的損傷閾值,這一結(jié)論在2021年得到了進(jìn)一步的認(rèn)證.Zhang等[26]將無機(jī)物二氧化鉿與溶膠凝膠技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合,研究了其在高溫退火情況下的激光損傷閾值表現(xiàn),如圖1所示,損傷閾值在353 K下退火后達(dá)到了31.6 J/cm2,即使573 K下退火后,損傷閾值也可以達(dá)到21.7 J/cm2.這些數(shù)據(jù)均表明薄膜具有很強(qiáng)的抗激光損傷能力,并且在高溫中可保持較好的穩(wěn)定性.

圖1 HfO2薄膜的損傷點(diǎn)深度圖 (a) 353 K,39.2 J/cm2;(b) 423 K,38.6 J/cm2;(c) 503 K,36.6 J/cm2;(d) 573 K,31.7 J/cm2[26]Fig.1.Damage spot depth map of the HfO2 films:(a) 353 K,39.2 J/cm2;(b) 423 K,38.6 J/cm2;(c) 503 K,36.6 J/cm2;(d) 573 K,31.7 J/cm2[26].

2.2 高損傷閾值SA的插入腔結(jié)構(gòu)

不同材料作為SA材料實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模的過程中,與材料自身物理特性相比,SA插入腔的結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)鎖模具有重要意義,不同插入腔的結(jié)構(gòu)直接決定了不同SA的損傷閾值.通常實(shí)現(xiàn)具有可飽和吸收特性的SA有以下方法:“三明治”透射式結(jié)構(gòu)、拉錐光纖式、D型光纖式、光子晶體光纖式等.SA插入腔結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 不同SA插入結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔示意圖Fig.2.Schematic diagram of annular cavity with different saturable absorber insertion structures.

“三明治”透射式結(jié)構(gòu)是指材料、法蘭、光纖跳線之間形成的結(jié)構(gòu),材料有兩種形式與光纖跳線結(jié)合:一種是將生成的材料薄膜夾在法蘭中間,另一種是利用光沉積法在光誘導(dǎo)下使材料溶液沉積在跳線表面.這兩種形成“三明治”透射式結(jié)構(gòu)的方法制作簡(jiǎn)單、成本低、可重復(fù)性高,但其損傷閾值低,通過采取不同的材料制備方法可進(jìn)一步提高“三明治”結(jié)構(gòu)SA的損傷閾值.2013年,Liu等[27]采用在光纖端面周圍沉積環(huán)形CNT的方法,用于倏逝場(chǎng)相互作用,這種CNT-SA將損傷閾值提高了130%,實(shí)現(xiàn)了脈寬680 fs、平均功率30 mW的鎖模脈沖激光輸出.2019年,Han等[28]通過物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)方法以In2Se3薄片作為SA實(shí)現(xiàn)了雙端面泵浦高功率被動(dòng)鎖模激光器,PVD-In2Se3SA表現(xiàn)出高于24 mJ/cm2的損傷閾值.同年,Ma等[29]采用CVD方法制備了玻璃-材料-玻璃“三明治”結(jié)構(gòu),制備了損傷閾值大于26 mJ/cm2的MoS2SA,實(shí)現(xiàn)了大功率、高能量鎖模光纖激光器.2021年,Wang等[30]采用溶膠-凝膠方法,將TI-SiO2以“三明治”結(jié)構(gòu)插入摻鉺光纖激光器,基于溶膠-凝膠玻璃的SA比基于有機(jī)薄膜的SA在穩(wěn)定性方面有了明顯改進(jìn),其損傷閾值提高了近1個(gè)數(shù)量級(jí).“三明治”結(jié)構(gòu)的SA由于非線性作用區(qū)域較短并且沉積方法存在差異使激光器更易運(yùn)轉(zhuǎn)在調(diào)Q狀態(tài),不利于產(chǎn)生鎖模超短脈沖.對(duì)調(diào)Q激光器而言,高損傷閾值SA的選取對(duì)于實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧脈沖輸出也是研究者關(guān)注的重點(diǎn)之一.2021 年,Salam等[31]基于Alq3在調(diào)Q光纖激光器中采用三明治結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了高損傷閾值的多波長(zhǎng)可調(diào)諧脈沖輸出,其覆蓋波長(zhǎng)范圍為1520—1563.5 nm,信噪比達(dá)53 dB.

拉錐光纖和D型光纖是由于光纖制作工藝不同而形成的不同光纖結(jié)構(gòu),通過利用沉積在光纖錐區(qū)材料的光倏逝波效應(yīng),增加了光纖非線性作用面積,具有易于散熱、可輸出高功率激光脈沖的特點(diǎn),并且少部分光與材料在倏逝場(chǎng)相互作用降低了鎖模器件的調(diào)制深度,也存在光纖制作難度大、材料沉積不均勻等缺點(diǎn),但是在很大程度上克服了SA損傷閾值低的問題,也是目前研究者提高SA損傷閾值的方法之一.以拉錐光纖為代表的可飽和吸收體技術(shù)較為成熟,2019年,Wu等[32]通過在拉錐光纖上沉積MXene-Ti3C2Tx材料制備了簡(jiǎn)單緊湊的全光纖摻鉺孤子和色散管理飛秒孤子激光器,在孤子振蕩工作區(qū)實(shí)現(xiàn)了597.8 fs,弱正常色散腔104 fs的脈沖激光輸出.更為新穎的D型光纖,不僅增大了與材料間的接觸面積,也表現(xiàn)出了很好的性能指標(biāo).2008年,Song等[33]利用D型光纖倏逝場(chǎng)與CNT結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了6.5 nJ的皮秒脈沖輸出,該鎖模器件可承受27.7 dBm的功率.2020年,Nizamani等[34]采用拋光輪技術(shù)制備D型光纖,并將銦錫氧化物與D型光纖結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的暗脈沖鎖模激光器.為了提高SA的損傷閾值,從而獲得高功率高能量脈沖輸出,研究人員還將D形光纖與溶膠-凝膠法結(jié)合.2021年,Liu 等[35]采用磁控濺射技術(shù)與溶膠-凝膠技術(shù)相結(jié)合,將Mo2C埋在溶膠凝膠制備的二氧化硅與D型光纖之間,該方法有效解決了材料老化、脫落問題,提高了激光器的損傷閾值和穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)了脈寬199 fs、最大脈沖能量430.47 nJ、輸出功率54.13 mW 的鎖模脈沖輸出.

光子晶體光纖內(nèi)鑲嵌結(jié)構(gòu)是指將材料注入光子晶體光纖內(nèi)部,有利于增加光纖內(nèi)部與材料的非線性作用面積,但因其制備工藝難度大、插入損耗大、容易在光子晶體光纖孔隙部分產(chǎn)生模式失真等缺點(diǎn)限制了光子晶體光纖的廣泛應(yīng)用.2004年,Michaille等[36]對(duì)比了8 μm芯徑的實(shí)芯光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF) 和空芯光子帶隙光纖(photonic bandgap fiber,PBG)的激光損傷閾值,發(fā)現(xiàn)纖芯為8 μm的PBG損傷閾值發(fā)生在脈沖能量近1 mJ 時(shí),其損傷閾值是8 μm的PCF的4倍,因此選取合適的PBG對(duì)于進(jìn)一步提高SA的損傷閾值具有重要意義,PCF在提高SA損傷閾值的研究領(lǐng)域內(nèi)還有較大研究潛力.

目前來看,“三明治”透射式結(jié)構(gòu)的損傷閾值相較于錐形光纖較低,但因制作成本低、制作流程簡(jiǎn)便的特點(diǎn)依然被廣泛使用.“三明治”透射式結(jié)構(gòu)可以通過改變材料襯底和材料的制備工藝入手提高激光器損傷閾值.錐形光纖中的D型光纖中增加了非線性相互作用面積,損傷閾值較高,但是D型光纖存在制備難度大的問題.因此,拉錐光纖是目前較為常用且方便的方法,但是對(duì)于錐區(qū)長(zhǎng)度的精準(zhǔn)控制也是未來要關(guān)注的方向.而光子晶體光纖因?yàn)橐獙⒉牧献⑷牍饫w內(nèi)部,制備困難,并不是一種非常理想的插入腔結(jié)構(gòu),但因其大接觸面積的特點(diǎn)在其他非線性效應(yīng)的研究中依然有著不可替代的作用.所以,通過插入腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化SA的損傷閾值更為簡(jiǎn)便的方法應(yīng)從兩方面入手:一是“三明治結(jié)構(gòu)”優(yōu)化襯底和材料工藝,二是通過拉錐光纖探索優(yōu)化方法.

3 高損傷閾值等效SA的光纖激光器

等效SA主要利用了光纖的非線性效應(yīng)和光學(xué)器件之間的相互作用,包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)[37](nonlinear polarization evolution,NPE)、非線性光環(huán)形鏡[38]和非線性多模干涉[39]等.由于等效SA自身結(jié)構(gòu)特性使等效SA具備高損傷閾值的特點(diǎn),為了利用好這一特性并進(jìn)一步提高損傷閾值,研究人員對(duì)等效SA進(jìn)行了廣泛研究.

3.1 非線性偏振旋轉(zhuǎn)

被動(dòng)鎖模技術(shù)中,NPE是附加脈沖鎖模(additive pulse mode locking,APM)技術(shù)的一種,即兩束信號(hào)光相干附加而實(shí)現(xiàn)鎖模.NPE利用的是光纖中的克爾效應(yīng),通過調(diào)節(jié)波片來調(diào)節(jié)光的偏振態(tài),不同偏振態(tài)的激光會(huì)產(chǎn)生不同的非線性相移,利用這種非線性相移差實(shí)現(xiàn)可飽和吸收效應(yīng)進(jìn)而鎖模.NPE鎖模結(jié)構(gòu)如圖3所示,由偏振器件、波片和雙折射光纖構(gòu)成[40].

圖3 NPE鎖模偏振態(tài)示意圖Fig.3.Schematic diagram of nonlinear polarization evolution mode-locked polarization state.

在空間振蕩腔中,當(dāng)入射光脈沖經(jīng)過第一個(gè)偏振器后,光脈沖的偏振態(tài)會(huì)轉(zhuǎn)換為線偏振態(tài),再通過1/4波片后偏振態(tài)由線偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為橢圓偏振態(tài).橢圓偏振態(tài)的光脈沖在雙折射光纖處累積隨光強(qiáng)逐漸增大的非線性相移,光脈沖中心高光強(qiáng)處經(jīng)歷非線性相移后偏振態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,而光脈沖邊翼處由于光強(qiáng)較低,幾乎沒有經(jīng)歷非線性相移,因此偏振態(tài)沒有發(fā)生改變.當(dāng)光脈沖再次通過1/4波片和第二個(gè)偏振器后,將光強(qiáng)相關(guān)的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)相關(guān)的透過率,實(shí)現(xiàn)調(diào)整兩個(gè)波片間的相對(duì)角度達(dá)到調(diào)節(jié)相對(duì)透過率的效果.NPE鎖模脈寬可達(dá)飛秒量級(jí),其脈沖寬度可接近增益介質(zhì)帶寬極限,但存在受環(huán)境影響較大、損傷閾值有待進(jìn)一步提高的問題.

目前,為解決NPE鎖模環(huán)境不穩(wěn)定的問題,近幾年出現(xiàn)了兩種解決方案.一種是采用全保偏NPE鎖模,另一種是自動(dòng)控制NPE鎖模.全保偏NPE鎖模的基本思想是采用全保偏光纖替換激光腔中的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,通過交叉熔接方法補(bǔ)償了保偏光纖的雙折射效應(yīng)，解決了脈沖走離問題,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模[41].2017年,Szczepanek等[42]通過熔接不同角度的多段保偏光纖達(dá)到了全保偏光纖NPE鎖模的效果.自動(dòng)控制NPE鎖模的基本思想是通過算法與自動(dòng)控制結(jié)合,通過監(jiān)測(cè)腔內(nèi)偏振態(tài)的變化情況即時(shí)反饋到自動(dòng)偏振控制器件,根據(jù)相應(yīng)算法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié).近幾年,提出的自動(dòng)控制鎖模NPE受到廣泛關(guān)注.自動(dòng)控制鎖模NPE結(jié)構(gòu)是通過調(diào)節(jié)外部電壓,利用電壓對(duì)液晶可變器的控制作用,實(shí)現(xiàn)激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)[43].通過演化算法[44]、類人算法[45]、深度學(xué)習(xí)算法[46]等尋找鎖模狀態(tài),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制鎖模.自動(dòng)控制鎖模利用色散傅里葉變換技術(shù)快速分析光譜,并與相應(yīng)算法結(jié)合直接觀測(cè)脈沖切換的過渡態(tài)[47].通過以上兩種方案,可以進(jìn)一步解決NPE易受環(huán)境影響的問題.

為提高NPE損傷閾值,基于SA發(fā)展過程中的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)提出了一種實(shí)現(xiàn)SA被動(dòng)鎖模的新方法—混合鎖模.基于NPE鎖模技術(shù)的光纖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出效率較高、偏振態(tài)可控,但也存在鎖模閾值高、難以實(shí)現(xiàn)自鎖模的缺點(diǎn),而通過選取彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)的SA材料可以實(shí)現(xiàn)集成后SA損傷閾值的提高和更優(yōu)的鎖模激光輸出.2017年,Liu等[48]利用WS2高損傷閾值的特性,提出了將WS2SA與NPE結(jié)合的新型混合鎖模結(jié)構(gòu),如圖4所示,實(shí)現(xiàn)了67 fs的超短鎖模脈沖輸出，脈沖光譜3 dB帶寬達(dá)114 nm.

圖4 拉錐光纖WS2 SA被動(dòng)鎖模摻鉺光纖激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (a)脈沖光譜,中心波長(zhǎng)1540 nm的3 dB帶寬為114 nm;(b)脈沖寬度為67 fs[48]Fig.4.Experimental results of the passively mode-locked EDF laser with the fiber-taper WS2 SA:(a) Optical spectrum of the generated pulses.The 3 dB spectral width is 114 nm at 1540 nm.(b) Intensity autocorrelation trace with 67 fs pulse duration[48].

混合鎖模的結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示.利用混合鎖模結(jié)構(gòu)的高損傷閾值特性實(shí)現(xiàn)飛秒量級(jí)脈沖已經(jīng)被研究人員廣泛關(guān)注.2017年,Chernysheva等[49]通過雙壁CNTs和NPE實(shí)現(xiàn)了鎖模摻銩光纖激光器中多孤子復(fù)合物的產(chǎn)生,利用雙壁CNTs的高損傷閾值特性,產(chǎn)生了560 fs雙孤子束縛態(tài)孤子脈沖.2020年,Ma 等[50]利用V2CTx納米片高損傷閾值特性將其作為新型MXene制備SA,通過使用V2CTx納米片與NPE實(shí)現(xiàn)混合被動(dòng)鎖模,產(chǎn)生72 fs的脈寬、71 dB的信噪比脈沖輸出,實(shí)現(xiàn)了NPE穩(wěn)定鎖模.同年,Pang等[51]采用零維材料Fe3O4納米顆粒與NPE結(jié)合作為快飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了摻鉺光纖激光器自啟動(dòng)混合鎖模,產(chǎn)生了361 fs的鎖模激光.但是由于PVA是一種有機(jī)材料,在高功率激光照射下很容易損壞[52],其損傷閾值低的特點(diǎn)限制了激光器的發(fā)展.因此,為解決Fe3O4/PVA的激光損傷閾值低的特點(diǎn),對(duì)于襯底材料的選取將是接下來的優(yōu)化方向.混合鎖模結(jié)構(gòu)可以充分利用等效SA結(jié)構(gòu)高損傷閾值的特點(diǎn),結(jié)合具有大調(diào)制深度的材料,從而實(shí)現(xiàn)綜合性能優(yōu)異的脈沖激光輸出.

圖5 混合鎖模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5.Schematic diagram of hybrid mode locking structure.

3.2 非線性光環(huán)形鏡

非線性光環(huán)形鏡(nonlinear optical loop mirror/nonlinear amplifying loop mirror,NOLM/NALM)是一種性能優(yōu)異的等效SA結(jié)構(gòu),NOLM和NALM具有響應(yīng)時(shí)間短、損傷閾值高、可實(shí)現(xiàn)全保偏等優(yōu)點(diǎn),是光纖激光器中具有發(fā)展?jié)摿Φ逆i模器件之一.NOLM鎖模激光器是通過光脈沖在Sagnac環(huán)中運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的非線性相移差來實(shí)現(xiàn)鎖模,結(jié)構(gòu)如圖6所示.當(dāng)輸入脈沖經(jīng)過分光比為C:(1?C) 的耦合器后被分為Pc1和Pc2兩束強(qiáng)度不同的光脈沖,兩束光脈沖在經(jīng)過環(huán)形腔匯聚到耦合器輸出端時(shí)累積了不同大小的非線性相移.此時(shí),NOLM結(jié)構(gòu)具備了SA的作用,對(duì)不同光強(qiáng)具有選擇通過性,耦合器對(duì)高光強(qiáng)的脈沖透光率更高,低光強(qiáng)脈沖被濾除,因此可等效為SA[53].

圖6 NOLM可飽和吸收原理圖Fig.6.Schematic diagram of nonlinear optical loop mirror saturable absorption.

耦合器不同的分光比配置會(huì)影響脈沖能量大小,非線性環(huán)形鏡的非線性相移來源于光脈沖光強(qiáng)大小的差異.若非線性相移來自增益光纖的放大作用,則稱作非線性放大鏡.若非線性相移來源于增益光纖的吸收作用,則稱作非線性光吸收鏡.基于NOLM的鎖模技術(shù)對(duì)激光脈沖的偏振態(tài)非常敏感,但NOLM具有高損傷閾值的優(yōu)點(diǎn),其受環(huán)境影響小、滿足多波段鎖模等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究.2012年,Aguergaray等[54]對(duì)NOLM全保偏鎖模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,實(shí)現(xiàn)了10 MHz重復(fù)頻率、344 fs脈寬、0.3 nJ單脈沖能量的鎖模激光輸出.次年,該團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化腔內(nèi)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了10 MHz重復(fù)頻率、120 fs脈寬、4.2 nJ單脈沖能量的脈沖輸出,脈沖寬度明顯被窄化,實(shí)現(xiàn)了單脈沖能量14倍的提升,并提出了增加單模光纖長(zhǎng)度、降低重復(fù)頻率以實(shí)現(xiàn)高能量激光輸出的方案[55].2018年,Yu等[56]通過優(yōu)化環(huán)形腔主環(huán)路的單模光纖長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)了93 fs脈寬、10 nJ單脈沖能量、6 MHz重復(fù)頻率的鎖模激光輸出.2020年,Deng等[57]通過搭載NALM環(huán),優(yōu)化泵浦參數(shù),實(shí)現(xiàn)了191 mW的平均輸出功率、22 nJ的單脈沖能量、195 fs的超窄脈寬、8.7 MHz重復(fù)頻率的鎖模激光輸出.2021年,Deng等[58]基于NALM鎖模全正色散激光器研究了脈沖孤子起振的非線性動(dòng)力學(xué)方程,發(fā)現(xiàn)并記錄了脈沖孤子的建立過程.

3.3 非線性多模干涉

漸變多模光纖(graded index multimode fiber,GIMF)由于其本身的非線性效應(yīng)、時(shí)空光孤子以及非線性多模干涉效應(yīng)等引起研究人員的關(guān)注.2013年,Nazemosadat 和Mafi[59]對(duì)GIMF中的非線性多模干涉效應(yīng)進(jìn)行了研究,并采用單模光纖-漸變多模光纖-單模光纖(SMF-GIMF-SMF)的結(jié)構(gòu),指出該結(jié)構(gòu)可用于非線性調(diào)制、光信號(hào)處理、激光器SA.其結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 非線性多模干涉可飽和吸收原理圖Fig.7.Schematic diagram of saturable absorption of nonlinear multimode interference.

當(dāng)入射光從標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(single mode fiber,SMF)傳輸?shù)紾IMF時(shí),因?yàn)楣饫w端面處發(fā)生模式耦合激發(fā)出高階模,GIMF中由于不同模式強(qiáng)度的光會(huì)受到不同的SPM(self-phase modulation),XPM(cross-phase modulation)調(diào)制從而發(fā)生多模干涉.當(dāng)激光通過該器件時(shí)能夠發(fā)生穩(wěn)定的NL-MMI(nonlinear multimode interference),使高強(qiáng)度的光進(jìn)入SMF,并在激光腔中振蕩形成脈沖輸出,而低強(qiáng)度的光和沒有發(fā)生多模干涉效應(yīng)的光從SMF的包層中滲透出去.NL-MMI的存在使SMF-GIMFSMF結(jié)構(gòu)具有可飽和吸收效應(yīng),對(duì)光強(qiáng)具有選擇透過性,可以使發(fā)生NL-MMI的強(qiáng)光透過,弱光被濾除.到目前為止,GIMF長(zhǎng)度的調(diào)控限制了非線性多模干涉發(fā)展,但通過匹配不同光纖引發(fā)非線性多模干涉效應(yīng)可以觀察到多種孤子分子動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象.2018年,Tegin等[60]采用SMF-GIMF-SMF的結(jié)構(gòu)在全正色散光纖鎖模光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了經(jīng)腔外壓縮后脈寬276 fs、重復(fù)頻率44.25 MHz的鎖模脈沖輸出.同年,Zhao等[61]通過實(shí)驗(yàn)觀察基于非線性多模干涉的飽和吸收體束縛孤子,利用階躍折射光纖SIMF(step-index multimode fiber)和漸變折射光纖作為SA觀察到同相和反相雙孤子束縛態(tài).2021 年,Chen等[62]基于NL-MMI效應(yīng)給出了金茲堡-朗道方程的激光物理模擬方法,揭示了從暗脈沖到亮脈沖的轉(zhuǎn)換以及諧波脈沖產(chǎn)生的基本原理,在摻鉺光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了暗脈沖到單亮脈沖和諧波亮脈沖的過渡.同年,Gan等[63]通過制備具有高損傷閾值的GIMF-SIMF-GIMF SA,將SA插入一個(gè)具有負(fù)色散的摻鉺光纖激光腔中,產(chǎn)生了脈寬540 fs的孤子,并解釋了連續(xù)可調(diào)的高階孤子的產(chǎn)生.通過近些年來的實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn),以NL-MMI效應(yīng)為代表的等效SA與激光脈沖質(zhì)量以及孤子動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象都具有密不可分的聯(lián)系[64],從根本上提高等效SA的損傷閾值將有助于光纖激光相關(guān)領(lǐng)域的全面推進(jìn).

4 結(jié)論

光纖激光器在國家基礎(chǔ)設(shè)施的各個(gè)領(lǐng)域都起到了重要作用,SA作為光纖激光器核心器件,其性能指標(biāo)的優(yōu)化對(duì)于激光器發(fā)展具有重大意義.本文重點(diǎn)介紹了高損傷閾值SA國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.新技術(shù)的產(chǎn)生和原有技術(shù)的優(yōu)化都對(duì)實(shí)現(xiàn)超快激光起到了非常大的推動(dòng)作用,光纖激光器損傷閾值的不斷優(yōu)化將進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍.激光器更窄的脈沖寬度、更高的輸出功率、更高的重復(fù)頻率、脈沖形狀的優(yōu)化、脈沖波長(zhǎng)范圍的拓展都依賴于SA損傷閾值的提高,未來高損傷閾值SA將是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域.同時(shí),光纖激光器的全光纖化、小型化、集成化和全國產(chǎn)化解決“卡脖子”難題也是未來的發(fā)展方向,多元化的高損傷閾值SA結(jié)構(gòu)將為光纖激光器的發(fā)展提供更多的技術(shù)支撐.