被動鎖模光纖激光器

超短脈衝光纖激光器技術在高精度光纖傳感技術、大容量高速率波分複用光纖通信系統和大功率激光等方面呈現出顯著的技術優勢和廣闊的應用前景，同時也受到了來自國防科技、電子信息和工業加工等研究領域的高度關注。伴隨着符合超短脈衝光纖激光器發展需要的各種光纖材料以及各種光纖尤其是新的激光泵浦技術和摻雜稀土光纖材料的快速發展，都極大地推動了超短脈衝光纖激光器技術的進步。自從 20 世紀 90 年代以來，隨着摻雜光纖製作技術以及半導體激光器的日益成熟，超短脈衝光纖激光器的研究取得了重大的進展。

超短脈衝光纖激光器是一種有源光纖器件，增益介質通常選擇摻雜稀土離子的光纖。與傳統的激光器相比，光纖激光器具有光束質量好、結構緊湊、易於集成、能量轉換效率高等許多優點。被動鎖模光纖激光器在光通信、傳感、醫療器械等許多應用領域都有很大的發展潛力。上世紀末期，鎖模光纖激光器技術興起。繼而隨着科學發展和技術進步，鎖模光纖激光器在科學研究和工業大生產中起到愈來愈大的作用，在微加工、光通信、太赫茲波等多領域有着廣泛的應用。鎖模光纖激光器體積小、攜帶輕便、工作穩定性好，可以輸出高峯值功率超短脈衝。伴隨着光通信網絡以及光纖技術及其相關領域技術的快速發展, 被動鎖模光纖激光器技術正在不斷向更深的領域推進, 特別是以光纖光柵、光子晶體光纖、濾波器、摻雜雙包層光纖等為基礎的新型光纖器件的陸續面市, 將為光纖激光器以及鎖模光纖激光器的設計提供廣闊的思路。相比傳統固體激光器, 被動鎖模光纖激光器是一個新興的課題, 其真正意義上的發展歷史僅有十幾年, 還存在許多新的發展空間。因此對被動鎖模光纖激光器的理論模擬和特性研究，是勢在必行。

被動鎖模光纖激光器產生的超短脈衝，擁有超短的恢復時間、超強的峯值功率、超值的價位等眾多優點而廣受關注，成為激光領域的研究熱點。因此被動鎖模光纖激光器在空間通信、傳感、激光與物質之間的相互作用、激光雷達、生物光子學、遙感等許多應用領域都有很大的發展前景，因而成為各國的研究的重點.被動鎖模光纖激光器的分類和特點

自從 1958 年激光器的出現，基於此的光學和光電子學等幾個領域相繼興起，特別是超快光學的興起，超快光學中可以在鎖模激光器中產生超短的脈衝。這樣的超短脈衝在光通信領域，可以實現長距離超高速的傳輸。於 1963 年，第一台被動鎖模激光器成為了人們研究的熱點。最近，光纖激光器由於其結構緊湊靈活吸引了光通信光傳感領域研究者們的注意。被動鎖模光纖激光器是一種非線性全光纖的激光器件，可以實現腔內不插任何調製器之類的器件的情況下輸出超短脈衝。

通訊業的蓬勃發展促進了光纖激光器技術走向成熟，由於摻雜光纖技術的成熟，光纖激光器的應用發生了轉型，不單單停留在通訊業中的應用。

被動鎖模光纖激光器能夠輸出超短脈衝，它結構簡單、體積小、與光纖容易兼容，而且製作成本較低，同時也擁有一般的超短脈衝固體激光器的優點。被動鎖模光纖激光器工作時光纖中出現多種非線性效應，能使纖芯內產生很高的功率密度，使其輸出的光譜波長範圍更寬。它的這些優越的性能，使它在未來的遠距離光纖通信，激光武器，光纖傳感等方面有重要的意義。 ^[1] 

通用的激光器主要採用的是半導體激光器，但是其存在一些對光纖通信大大制約的問題，例如，半導體激光器輸出耦合入光纖時，耦合效率是難以確保的，同時，半導體激光器波長可調範圍小，且單色性較差，線寬遠大於 100KHz。光纖激光器作為第三代激光器，而被動鎖模光纖 激光器作為可以產生超短脈衝光的光纖激光器，顯示着巨大的優勢：

（一）能在惡劣的工作環境工作，對震盪、灰塵、衝擊有着很高的容忍度。

（二）兼容性良好。光纖激光器的輸出尾纖可以選擇與常規傳輸光纖相匹配，易於進行光纖集成，耦合效率高，損耗低，與光無源器件耦合易於實現全光纖傳輸系統。

（三）對其調節，維護簡單易行。因為在被動鎖模光纖激光器諧振腔內無光學鏡片，採用光纖耦合方式或者是直接製作光纖截面腔鏡構成諧振腔。

（四）體積小，結構簡單。被動鎖模光纖激光器的幾何尺寸小，可以採用耦合器、波分複用器或者合束器以及其他的光學元件耦合到光學系統中，減少對光學元件的需求，加大簡化了被動鎖模光纖激光器的設計與製作。

（五）良好的温度穩定性。被動鎖模光纖激光器整個光路基本採用全光纖，基質材料採用的是二氧化硅，有着良好的温度穩定性，允許的環境温度在零下20 度到 70 度，工作物質的熱負荷較小，能產生高峯值功率的脈衝。

（六）調諧方便，輸出波長較多。被動鎖模光纖激光器的增益介質採用摻雜稀土離子的光纖，我們瞭解到稀土離子有着豐富的能級結構，能級躍遷包含了從紫外波段到紅外波段；也因為摻雜稀土離子的光纖光譜較寬，當在在諧振腔裏插入波長選擇器便可得到可調諧激光器。

（七）轉換效率高。被動鎖模光纖激光器具有波導式的光線結構，光纖既起到激光增益介質的作用又起到光的導波介質的作用，那麼泵浦光的耦合效率會相當高；由於光纖激光器採用的光纖纖芯芯徑很小，可以在纖芯層產生較高的功率密度，損耗低，散熱快，體面積比較低，那麼相應的轉換效率較高。

（八）性價比較高。硅光纖的工藝的日漸成熟，可以根據市場需要製作不同摻雜濃度以及共摻雜的光纖，並且使用與稀土離子吸收譜對應的半導體二極管作為泵浦源，這些大大的降低了激光器的成本。 ^[1] 

實現光纖激光器被動鎖模的方法主要包括半導體可飽和吸收體被動鎖模、附加脈衝鎖模、非線性偏振旋轉被動鎖模等。

半導體可飽和吸收體

早在20 世紀70 年代, 可飽和吸收效應就已用於被動鎖模, 在附加脈衝鎖模技術出現之前, 它是實現被動鎖模的有效方法之一。其鎖模機制可描述如下:當脈衝通過吸收體時, 邊緣部分損耗大於中間部分,結果光脈衝在通過吸收體的過程中被窄化。為了清楚地理解可飽和吸收體鎖模的物理機制。

在低強度情況下, 當光子經過可飽和吸收體時被吸收, 結果一個電子躍遷到了高能級態, 很快這個電子就經過非輻射躍遷過程回到基態, 這樣吸收體又可以吸收其他光子。在高強度極限下, 可以想象為很多光子同時入射, 雖然一部分光子被吸收, 但它們有效地抽運並飽和了吸收介質, 因此其他入射光子可以無吸收地通過吸收介質。這樣就實現了阻止低強度光、通過高強度光的飽和吸收作用。光纖激光器中常用的可飽和吸收材料是半導體吸收介質,可以採用單層或多層量子阱結構製成。半導體可飽和吸收鏡(SESAM) 是半導體可飽和吸收體和反射鏡的結合, 一般使用半導體布拉格層對構成底部反射鏡,頂部採用高反射介電膜層或直接使用空氣層作為反射界面, 可飽和吸收體夾在中間。可飽和吸收體利用其自身的相應恢復時間作為時間選通門來對激光脈衝進行時間上的整形, 對於脈衝中能量較低的部分完全吸收, 引入損耗機制; 當脈衝中能量較高的部分通過, 達到可飽和吸收體的飽和吸收閾值時, 可飽和吸收體在強光的作用下吸收飽和被漂白而變得透明, 這樣使得後續部分得以在漂白恢復時間內無損耗地通過; 而當可飽和吸收體達到響應恢復時間, 重新恢復吸收特性後, 新的可飽和吸收過程便再次重新開始。另外, 還可以把半導體激光放大器用作可飽和吸收體, 但要求它工作時的偏置電流必須低於閾值。這種方法產生的脈衝寬度一般為皮秒和飛秒級, 它雖然具有脈寬窄、結構簡單、緊湊、成本低、鎖模穩定、調整簡單等優點, 但是這種激光器不是全光纖結構。 ^[2] 

附加脈衝鎖模是利用非線性放大環鏡(NonlinearAmplifying Loop Mirror , NALM) 或非線性光纖環鏡(Nonlinear Optical Loop Mirror , NOLM) 作等效可飽和吸收體。NOLM 環和NALM 環的基本結構都是Sagnac 干涉儀, 這種結構具有全光纖特性。NALM 是將一個放大器非對稱地置於耦合器的一側, 這樣進入耦合器的光被分成兩個傳播方向相反的光束, 其中一路光剛進入環路即被放大, 另一路則在離開環路時被放大, 由於自相位調製的作用這兩列相反方向傳播的光在NALM 內往返一次後獲得了不同的非線性相移, 而且相位差不是一個常數, 而是隨脈衝的色散形狀變化。這樣NALM 就具有了類似飽和吸收體那樣的強度相關的透射函數。 ^[2] 

不同鎖模類型被動鎖模光纖激光器的國內外研究現狀 採用環形腔來實現被動鎖模的光纖激光器通常有三種：非線性光纖環形鏡光纖激光器（NALMFL）、非線性偏振旋轉效應光纖激光器（NPRFL）和可飽和吸收體光纖激光器（SAFL）。

基於單壁碳納米管的被動鎖模光纖激光器的國內外研究情況 被動鎖模光纖激光器由於其結構簡單以及可以產生皮秒脈衝成為較好的脈衝光源。傳統的被動鎖模的一個缺點光纖激光器的脈衝重複率是比較低的，充其量是一個幾十 MHz 的，苦於諧振腔腔長太長。而被動鎖模光纖激光器可以通過改變光纖的長度而調節腔長，最小可以達到 GHz，諧振腔腔體長度較短，意味着需要一個高的增益光纖以及一個低損耗的飽和吸收體。首先被提出滿足這種要求的可飽和吸收體是碳納米管。低濃度碳納米管表現非常寬帶的共振吸收，低散射。 ^[1] 

2009 年，提出一個新的想法在一箇中空的光纖中注入單壁碳納米管分散液。光與附着在整個中空光纖表面的單壁碳納米管複合材料相互作用。這項研究證明被動單壁碳納米管填充的空心光纖被動鎖模光纖激光器可以輸出光譜帶寬 5.5nm，脈寬為 490fs，重複頻率為 18.5MHz 的脈衝。

2010 年，提出利用飛秒激光器在光纖上製作微槽並且填充分散的碳納米管。由於這種製作方法靈活，工藝簡單，可以獨立高效的製作鎖模器件裝置，並且插入到光纖激光器中。此研究發現在飽和吸收體作用長度分別取 2μm、50μm、200μm，隨着作用長度的增加，輸出脈衝變窄依次為1.1nm、1.6nm、2.8nm。該方法的提出取代了傳統的 D 型光纖或者錐形光纖增加碳納米管器件的相互作用長度。

2011 年，Amos Martinez 和 Shinji Yamashita 等人報道基於碳納米管被動鎖模光纖激光器採用法布里F—P腔重複頻率高達4.24GHz、9.63GHz和19.45GHz。

2012 年，提出並論證採用碳納米管聚乙烯醇薄膜摻鉺被動鎖模光纖激光器輸出孤子脈衝,對應十次諧波重複頻率可達 245MHz，輸出功率 12mw，輸出能量 25~56nj。

2013 年，F. Ahmad 等人報道了一種結構簡單緊湊，成本較低，使用單壁碳納米管聚環氧乙烷複合體製成的可飽和吸收體被動鎖模摻鉺光纖激光器，可以輸出脈寬 0.81ps，重複頻率 44MHz，平均功率為 92.4uw孤子脈衝序列。 ^[1] 

國內情況：

2011 年，山東師範大學馬寶民等人將單壁碳納米管鍍在石英襯底製備了單壁碳納米的飽和吸收體，用 LD 泵浦獲得激光脈衝輸出，輸出脈寬 840ps 和262ns，重複頻率可達 34.61KHz 和 26.91KHz，譜寬為 21nm 和 25nm，中心波長為 2011nm 和 2017nm。

2012 年，中科院半導體所張玲等在光纖激光放大器中使用單壁碳納米管作為飽和吸收體實現被動鎖模，得到重複頻率 82MHz，輸出功率 20W，脈寬為15ps 的超短脈衝。

若基於被動鎖模光纖激光器的理論模擬可以滿足對其的實驗研究，這將有助於實驗的構建以及為實驗後期調試提供理論研究。這樣一個合理的理論模擬模型的建立可以在我們實驗裝置還未建立起來之前預見到我們所設計的光纖激光器的可能現象，為我們提供了一個計算工具來支持、預測和驗證實驗結果，因此對被動鎖模光纖激光器的理論特性的研究很是必要。 ^[1] 

關於被動鎖模光纖激光器的理論研究，主要採取兩種模型，一種是從非線性薛定諤方程出發，另一種是從 Hause 主方程出發。基於非線性偏振旋轉被動鎖模光纖激光器的研究，研究者們多采用前者，已有來自多個研究組的學者們對其進行，並在理論研究上有很多進展；基於可飽和吸收體被動鎖模光纖激光器的理論模擬多采用後者，而關於後者的理論研究進展報道很少。本章將分別從兩個方程出發對被動鎖模光纖激光器的特性進行研究。 ^[1]