高重復(fù)頻率飛秒光纖激光技術(shù)進(jìn)展

摘要：為解決高重頻飛秒光纖激光器基本重復(fù)頻率較低，輸出脈沖寬度較寬等問(wèn)題，對(duì)高重復(fù)頻率光纖超短脈沖激光器的主要發(fā)展方向及面臨的瓶頸展開(kāi)研究。詳細(xì)闡述了SESAM 鎖模、NPR 鎖模、NALM 鎖模等常用高重復(fù)頻率飛秒光纖激光器鎖模技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀，并討論了當(dāng)前高重復(fù)頻率飛秒光纖激光領(lǐng)域的難點(diǎn)與科技問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了以下領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，包括新型高重復(fù)頻率鎖模技術(shù)的探索、高重復(fù)頻率光纖飛秒激光在輸出波長(zhǎng)方面的拓展，以及超高穩(wěn)定性高重復(fù)頻率光纖光梳研究。最后，簡(jiǎn)述了GHz 飛秒光源在光絲激光雷達(dá)、光學(xué)頻率梳以及生物探測(cè)等領(lǐng)域的典型應(yīng)用，并對(duì)其前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：超快激光；激光諧振腔；光纖激光器；非線性光學(xué)；光纖

中圖分類號(hào)：O 436 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來(lái)，得益于高功率半導(dǎo)體激光泵浦系統(tǒng)的出現(xiàn)以及光纖摻雜技術(shù)的不斷進(jìn)步，高重復(fù)頻率飛秒激光技術(shù)發(fā)展迅速[1-2]。相比重復(fù)頻率千赫茲以及兆赫茲量級(jí)的超短脈沖激光器，重復(fù)頻率達(dá)到吉赫茲（GHz）以上的高重復(fù)頻率激光器可以將能量聚集在飛秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)極高的峰值功率[3]。借此創(chuàng)造出一些極端的物理?xiàng)l件，在許多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用[4]。

在光絲激光雷達(dá)領(lǐng)域，高重復(fù)頻率飛秒光纖激光器的優(yōu)勢(shì)在于單位時(shí)間內(nèi)輸出脈沖數(shù)量更多，可通過(guò)相干脈沖堆積的方式在固定時(shí)間窗口內(nèi)堆積大量脈沖，獲得峰值功率達(dá)太瓦量級(jí)的飛秒脈沖輸出[5]。太瓦光源可以有效提升雷達(dá)的最大作用距離和抗干擾能力[6]。

在工業(yè)加工領(lǐng)域，高重復(fù)頻率超短脈沖光纖激光器由于低平均功率、高峰值功率的輸出特性[7]，在后續(xù)放大過(guò)程中非線性效應(yīng)能夠很好地被色散補(bǔ)償，脈沖質(zhì)量更好。并且更窄的脈沖寬度可以有效降低加工過(guò)程中的熱量堆積，對(duì)應(yīng)加工速度更快，能量損耗更少[8]。在光學(xué)頻率梳領(lǐng)域，高重復(fù)頻率超短脈沖激光擁有更高的單縱模功率[9]，可以得到更高量子極限噪聲的拍頻信噪比[10]。在天文光學(xué)定標(biāo)、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域可以有效地提升視向測(cè)量精度，對(duì)光譜儀等儀器抖動(dòng)帶來(lái)的誤差也有良好的校正效果[11-12]。在生物探測(cè)領(lǐng)域，高重復(fù)頻率激光器較小的縱模間隔對(duì)應(yīng)于高成像分辨率和成像速度，較寬的光譜范圍可以檢測(cè)更多的復(fù)雜分子。傳統(tǒng)低重復(fù)頻率超短脈沖激光器伴隨著嚴(yán)重的光漂白和光毒效應(yīng)[13]，而高重復(fù)頻率激光器較低的單脈沖能量可以避免損傷細(xì)胞，改善成像質(zhì)量。

對(duì)高基本重復(fù)頻率光纖超短脈沖激光而言，提升重復(fù)頻率的關(guān)鍵在于縮減增益光纖與腔內(nèi)器件尾纖長(zhǎng)度，然而增益光纖長(zhǎng)度的縮短會(huì)導(dǎo)致腔內(nèi)功率降低，影響鎖模脈沖形成。在鎖模方式上，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）鎖?？梢詫?shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率[14]，但其“慢飽和”脈沖形成機(jī)制使其脈寬難以壓縮至飛秒。非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）鎖?；诠鈱W(xué)克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)類可飽和吸收鎖模，可以產(chǎn)生飛秒脈沖輸出。但為提供足夠的非線性相移，對(duì)諧振腔長(zhǎng)度有所要求，腔長(zhǎng)難以縮短[15]。因此，要得到適用于光學(xué)頻率梳、脈沖堆積系統(tǒng)的理想種子源，需要解決高重復(fù)頻率下鎖模機(jī)制的問(wèn)題。除此之外，高重復(fù)頻率導(dǎo)致的單脈沖能量低以及腔內(nèi)色散元件少引起的色散補(bǔ)償困難也是產(chǎn)生GHz 飛秒激光所面臨的重大挑戰(zhàn)。

基于上述情況，本文重點(diǎn)介紹高重復(fù)頻率光纖激光器的主要研究方向和最新進(jìn)展。列舉了高重復(fù)頻率光纖飛秒激光在重復(fù)頻率、脈沖寬度，以及輸出波長(zhǎng)方面的最新進(jìn)展；討論了新型高重復(fù)頻率鎖模技術(shù)以及超高穩(wěn)定性高重頻光纖光梳研究。最后羅列了高重頻光纖激光器的應(yīng)用，并對(duì)高重復(fù)頻率超快光纖激光器的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

1 高重復(fù)頻率光纖超短脈沖技術(shù)

對(duì)光纖激光而言，現(xiàn)階段主要通過(guò)鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率激光輸出。而受器件損傷閾值與光纖色散特性影響，當(dāng)前光纖激光器在重復(fù)頻率、脈沖寬度等輸出指標(biāo)上相較于傳統(tǒng)固體激光技術(shù)仍有差距，高重復(fù)頻率下的鎖模機(jī)制與孤子形成過(guò)程有待進(jìn)一步研究。

1.1 光纖孤子理論

光纖激光器中孤子脈沖輸出特性會(huì)隨腔內(nèi)色散與非線性變化發(fā)生改變，其演化過(guò)程可由單模光纖中非線性薛定諤方程表示[16]：

根據(jù)孤子形成時(shí)腔內(nèi)凈色散量的不同，常見(jiàn)的孤子鎖模類型可分為負(fù)色散孤子、色散管理孤子、自相似孤子，以及耗散孤子。當(dāng)光纖激光器實(shí)現(xiàn)負(fù)色散孤子鎖模時(shí)，腔內(nèi)凈色散量多處于負(fù)色散區(qū)，脈沖的形成依賴于自相位調(diào)制和負(fù)色散的平衡[17]。腔內(nèi)負(fù)色散使得脈沖在時(shí)域上展寬，而非線性效應(yīng)使脈沖時(shí)域壓縮，兩者協(xié)同作用下可以使得脈沖寬度更窄，穩(wěn)定性更高。而負(fù)色散孤子受孤子鎖模中的面積定理的限制，當(dāng)脈沖能量增大到一定程度時(shí)，光纖中的非線性效應(yīng)也會(huì)隨之增大，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)負(fù)色散效應(yīng)與非線性效應(yīng)的平衡，導(dǎo)致脈沖分裂為高階孤子[18]。因此，傳統(tǒng)負(fù)色散孤子鎖模振蕩器的單脈沖能量上限被認(rèn)為限制在100 pJ[19] 內(nèi)。

色散管理型與自相似型孤子鎖模則通常位于近零色散區(qū)。色散管理孤子產(chǎn)生的基本原理是在腔內(nèi)加入色散補(bǔ)償器件或是增益光纖對(duì)腔內(nèi)色散進(jìn)行調(diào)節(jié)，使腔內(nèi)凈色散量接近為零[20]。脈沖傳播中，正色散區(qū)域會(huì)使得脈沖平均功率降低，減少腔內(nèi)的非線性相移，從而避免脈沖分裂，脈沖波形為高斯型[20]。而自相似型相比色散控制型腔內(nèi)正色散更多，脈沖經(jīng)歷相對(duì)更強(qiáng)的自相位調(diào)制，脈沖的光譜呈拋物線型。上述鎖模激光器內(nèi)正色散區(qū)會(huì)使脈沖展寬，因此色散管理孤子鎖模的輸出脈沖光譜相比負(fù)色散孤子寬很多，高能量下脈沖也不會(huì)分裂，輸出脈沖被提升至nJ 量級(jí)[21]。

近年來(lái)，在全正色散光纖激光器中產(chǎn)生的耗散孤子受到廣泛研究。與傳統(tǒng)孤子不同，耗散孤子并不借助正負(fù)啁啾實(shí)現(xiàn)鎖模，而是引入帶通濾波來(lái)維持相互作用平衡[22]。當(dāng)脈沖在腔內(nèi)傳播時(shí)，耗散孤子在正色散和自相位調(diào)制的共同作用下使脈沖展寬，此時(shí)通過(guò)光譜濾波效應(yīng)限制脈沖頻譜，提供能量耗散使得脈沖穩(wěn)定輸出[23]。耗散孤子脈沖在凈正色散量較大的區(qū)間受到線性啁啾展寬更大，其輸出光譜一般呈中間平坦或凹陷，具有陡峭的光譜邊緣[24]。同時(shí)其脈沖寬度較寬，平均功率較低，避免了非線性積累導(dǎo)致的脈沖分裂。因此，單脈沖能量相比色散管理與自相似型孤子又有明顯的上升[25]。

1.2 高重復(fù)頻率光纖激光鎖模技術(shù)

現(xiàn)階段在光纖激光器中實(shí)現(xiàn)高基本重復(fù)頻率飛秒脈沖輸出的鎖模方式主要包括以SESAM 為主的慢飽和吸收體鎖模，以及非線性放大環(huán)形鏡（NALM）和非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）為主的快飽和吸收體鎖模。SESAM 鎖模技術(shù)多用于線性腔，可實(shí)現(xiàn)GHz 量級(jí)的高重復(fù)頻率脈沖輸出。但鎖模過(guò)程嚴(yán)重依賴慢飽和機(jī)制，脈沖寬度多被限制在皮秒量級(jí)?？祜柡臀阵w鎖模多用于環(huán)形腔[15]，允許更寬的光譜與更短的脈沖寬度，但相比線性腔重復(fù)頻率較難提升。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外各科研團(tuán)隊(duì)對(duì)高重復(fù)頻率下鎖模技術(shù)進(jìn)行了深入研究，下文將詳細(xì)梳理上述鎖模方式的最新進(jìn)展。

1.2.1 基于SESAM 鎖模的高重復(fù)頻率光纖超短脈沖激光器

SESAM 鎖模主要利用可飽和吸收材料對(duì)不同光強(qiáng)吸收效率不同的特性，以此窄化脈沖。當(dāng)脈沖光經(jīng)過(guò)腔內(nèi)SESAM 結(jié)構(gòu)時(shí)，強(qiáng)度較高的脈沖中心部分收到損耗較低，強(qiáng)度較低的脈沖兩側(cè)損耗較高，借此形成穩(wěn)定的超短脈沖輸出[26]。SESAM鎖模技術(shù)也憑借其工藝成熟、高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)成為目前在光纖激光器工業(yè)化領(lǐng)域被應(yīng)用最多的鎖模方式。

當(dāng)前1 μm 波段最高基本重復(fù)頻率的鎖模光纖激光器由楊中民團(tuán)隊(duì)于2019 年搭建。組內(nèi)Wang等[27] 使用了15.2% 的摻鐿磷酸鹽玻璃光纖[28]，搭建了腔長(zhǎng)僅7.6 mm 的超短腔。圖1 展示了該激光器實(shí)物圖，插圖為介電膜（DF）和SESAM 的光譜反射率。摻鐿玻璃光纖一端與介電鏡對(duì)接耦合，另一端連接SESAM。最終實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率12.5 GHz、脈寬1.9 ps 的脈沖輸出。2021 年，山東大學(xué)劉兆軍團(tuán)隊(duì)[29] 在此基礎(chǔ)上將高摻雜磷酸鹽玻璃光纖替換為凈增益系數(shù)為1 dB/cm 的商用石英摻鉺（EDF）光纖。最終在全光纖F-P 腔中實(shí)現(xiàn)了5 GHz 基本重復(fù)頻率，0.69 nm 光譜覆蓋范圍，3.8 ps 光譜寬度的1 561 nm 光纖激光器。該系統(tǒng)通過(guò)在光纖套管斷面上涂覆多層介電膜，實(shí)現(xiàn)了2 cm 的激光腔長(zhǎng)，成功將商用EDF 光纖激光器重復(fù)頻率提升至5 GHz，且穩(wěn)定性較好，可以長(zhǎng)期工作。

SESAM 鎖模技術(shù)多用于線性腔并且可以實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)，具有脈沖輸出穩(wěn)定、噪聲低、重復(fù)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。但由于增益光纖長(zhǎng)度較短，無(wú)法充分吸收泵浦光，因此，當(dāng)泵浦功率較大時(shí)，SESAM會(huì)積累較多的熱量，易被損壞。且脈沖寬度多為皮秒量級(jí)，難以進(jìn)一步窄化。

1.2.2 基于NALM 鎖模的高重復(fù)頻率光纖超短脈沖激光器

NALM 鎖模技術(shù)通過(guò)近似等比的2×2 耦合器，將通過(guò)其中的入射光分成傳播方向相反的兩束光脈沖，環(huán)路的一側(cè)添加增益光纖以增加腔內(nèi)的不對(duì)稱性。在傳播過(guò)程中積累不同的非線性相移后，于耦合器相遇，發(fā)生干涉。NALM 鎖模技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以在兼顧穩(wěn)定性的前提下實(shí)現(xiàn)寬光譜輸出， 往往能夠獲得較窄脈沖寬度。同時(shí)，NALM 技術(shù)可以采用保偏光纖作為增益介質(zhì)，因此，激光器具備更好的機(jī)械穩(wěn)定性。

2016 年，H?nsel 等[30] 提出了一種具有非互易分束器的NALM 結(jié)構(gòu)，并搭建了250 MHz 摻鉺激光器。如圖2（a）所示，半波片用作非互易相移器以引入相位偏置，激光器可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模，穩(wěn)定性良好。2018 年，Liu 等[31] 將非保偏光纖以大曲率半徑彎折，使其滿足保偏光纖的效果，將重復(fù)頻率提升至700 MHz。如圖2（b）所示， FR 以及1/6 波片提供2π/3 的非互易相位偏置，經(jīng)光柵對(duì)色散管理后，脈沖寬度可縮減至215 fs。

NALM 鎖模技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全光纖和全保偏結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性很高。線性臂結(jié)構(gòu)大大縮短了諧振腔長(zhǎng)度，同時(shí)可以加入色散管理器件，提高重復(fù)頻率的同時(shí)脈沖寬度可達(dá)飛秒量級(jí)。但由于腔內(nèi)需要加入相移器等空間器件，無(wú)形中增大了腔長(zhǎng)，限制了重復(fù)頻率的進(jìn)一步提升。目前，基于NALM鎖?？蓪?shí)現(xiàn)的最高基本重復(fù)頻率為700 MHz。

1.2.3 基于NPR 鎖模的高重復(fù)頻率光纖超短脈沖激光器

NPR 鎖模同樣基于可飽和吸收原理，與NALM鎖模不同的是，NPR 鎖模并不依靠耦合器將光分束，而是通過(guò)改變同一脈沖中兩個(gè)正交的偏振分量從而改變激光器透射率，實(shí)現(xiàn)鎖模。諧振腔內(nèi)半波片和1/4 波片組合起到了控制偏振的作用。通過(guò)調(diào)節(jié)波片可以調(diào)整腔內(nèi)偏振達(dá)到特定值，使腔內(nèi)非線性相移達(dá)到π 以上，從而實(shí)現(xiàn)可飽和吸收[15]，并窄化脈沖。

2011 年，北京大學(xué)張志剛團(tuán)隊(duì)[32] 將微透鏡與二向色鏡加載在波分復(fù)用器（WDM）上，搭建了503 MHz 激光器。光路與WDM 結(jié)構(gòu)如圖3（a）和（b）所示，通過(guò)在環(huán)形腔內(nèi)加入反常色散光纖，使得腔內(nèi)凈色散為近零色散狀態(tài)，將脈沖寬度壓縮至153 fs。2015 年，Li 等[33] 在此基礎(chǔ)上采用雙向泵浦的方式將重復(fù)頻率提升至1 GHz，將反常色散光纖改為光柵以調(diào)制腔內(nèi)色散，使激光器在拉伸脈沖狀態(tài)下工作，最終實(shí)現(xiàn)64 fs 的窄脈寬輸出，其結(jié)構(gòu)如圖3（c）所示。

NPR 鎖模激光器易受外界溫度、振動(dòng)等因素影響，自啟動(dòng)鎖模困難。但NPR 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超短腔，同時(shí)，脈沖寬度可達(dá)到飛秒量級(jí)，其穩(wěn)定性差的缺陷也可以通過(guò)后續(xù)添加抗振、溫控系統(tǒng)等方式彌補(bǔ)。因此， NPR 技術(shù)常被用以實(shí)現(xiàn)高重頻、窄脈寬的脈沖輸出。

1.2.4 不同鎖模方式的對(duì)比分析

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)高重復(fù)頻率光纖激光器研究較多，為便于比較，將上文部分代表性實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)至表1 中。

綜合表1 中激光器輸出參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，基于SESAM 鎖模技術(shù)搭建的光纖激光器在輸出重復(fù)頻率方面相較于NPR，NALM 鎖模有較大優(yōu)勢(shì)。其原因在于SESAM 激光器大多基于線性腔搭建，腔內(nèi)器件集成度較高，空間尺寸小，能實(shí)現(xiàn)毫米量級(jí)的超短腔。目前在1 μm 波段通過(guò)SESAM 鎖?？蓪?shí)現(xiàn)的最高基本重復(fù)頻率為12.5 GHz[28]。但受自身材料壽命和工作帶寬的限制，高重復(fù)頻率SESAM 鎖模激光器受強(qiáng)光沖擊較易受損，輸出脈寬難以窄化至飛秒量級(jí)。NALM 鎖模光纖激光器通過(guò)補(bǔ)償腔內(nèi)色散，可以實(shí)現(xiàn)飛秒量級(jí)的脈沖輸出，在輸出脈寬上相較于SESAM 鎖模有明顯提升。激光器可以實(shí)現(xiàn)全光纖、全保偏結(jié)構(gòu)，脈沖輸出穩(wěn)定性優(yōu)異。然而，NALM 鎖模需要在腔內(nèi)加入相移器或一定長(zhǎng)度的光纖以實(shí)現(xiàn)鎖模。受器件尺寸限制，腔長(zhǎng)難以進(jìn)一步縮減，重復(fù)頻率相對(duì)較低。利用NPR 鎖模技術(shù)可以將脈寬縮短至飛秒，其空間尺寸相較NALM 鎖模更為緊湊，可以實(shí)現(xiàn)超短腔結(jié)構(gòu)從而獲得GHz 量級(jí)的脈沖輸出。但是，NPR 鎖模激光器多為半光纖與非保偏結(jié)構(gòu)，易受溫度、振動(dòng)影響，穩(wěn)定性相對(duì)較差。盡管如此，通過(guò)整機(jī)封裝和添加溫控系統(tǒng)可以有效提升激光器抗干擾能力，NPR 鎖模仍具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 高重復(fù)頻率光纖超短脈沖激光領(lǐng)域的關(guān)鍵科技問(wèn)題與最新進(jìn)展

就激光技術(shù)而言，受限于光纖激光器較窄的增益帶寬、可飽和吸收體較低、損傷閾值較低，以及光纖內(nèi)部色散補(bǔ)償問(wèn)題，當(dāng)前光纖激光器較難同時(shí)實(shí)現(xiàn)高基本重復(fù)頻率（gt;1 GHz）和短脈沖寬度（lt;50 fs）的脈沖輸出，相較于傳統(tǒng)固體激光技術(shù)仍有差距[38]。為進(jìn)一步提升光纖激光器輸出性能，探索損傷閾值更高、可飽和吸收更好、使用壽命更長(zhǎng)的新型鎖模方式成為了當(dāng)前高重復(fù)頻率光纖激光的研究熱點(diǎn)。在應(yīng)用方面，飛秒光學(xué)頻率梳作為高重頻光纖激光器的重要應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性要求極高。一般而言，高重復(fù)頻率激光系統(tǒng)腔長(zhǎng)較短，微弱的腔長(zhǎng)抖動(dòng)都會(huì)影響輸出頻率。GHz 重復(fù)頻率下，光纖激光器相比固體激光器具有更高的非線性與大啁啾，自發(fā)輻射噪聲也相對(duì)較大[39]。因此，如何降低高重復(fù)頻率激光器工作時(shí)整體的噪聲成為了限制飛秒光梳發(fā)展的主要科學(xué)問(wèn)題。除此之外，當(dāng)前常規(guī)的鎖模光纖激光器主要集中在摻鐿、摻鉺光纖上，波長(zhǎng)限定為1 μm 和1.5 μm。較少的輸出波長(zhǎng)選擇限制了高重頻光纖激光技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，因此，如何實(shí)現(xiàn)更多波段的高重復(fù)頻率激光輸出也成為了現(xiàn)階段光纖激光的主要研究方向。針對(duì)上述關(guān)鍵科技問(wèn)題，國(guó)際上多家研究單位開(kāi)展重點(diǎn)攻關(guān)。

當(dāng)前國(guó)際上飛秒光纖激光器的主要研究方向可被總結(jié)為以下幾類：

a. 針對(duì)光纖激光器難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率與窄脈沖寬度的問(wèn)題，新型鎖模技術(shù)探索成為目前光纖激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。碳納米管、石墨烯、二硫化鉬等新型器件，已經(jīng)被證明可以用于實(shí)現(xiàn)光纖超短脈沖激光鎖模。上述新型飽和吸收體的出現(xiàn)有望解決傳統(tǒng)SESAM 損傷閾值低、使用壽命短的缺陷。這方面雖然有很多文獻(xiàn)發(fā)表，但是鮮有高重復(fù)頻率光纖激光產(chǎn)品真正采用上述器件。

b. 為抑制高重復(fù)頻率光纖激光器的腔內(nèi)噪聲，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的時(shí)域光梳光譜檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外眾多科研單位對(duì)超高穩(wěn)定性高重復(fù)頻率光纖激光器展開(kāi)研究。光纖光梳是高重復(fù)頻率激光器的重要應(yīng)用出口。 這方面的研究集中在GHz 重復(fù)頻率的檢測(cè)與反饋、色散控制與噪聲的關(guān)系、高穩(wěn)定度參考源等方面。如何將超高穩(wěn)定性高重復(fù)頻率光纖光梳的時(shí)間抖動(dòng)縮小到百阿秒尺度，是當(dāng)前炙手可熱的研究主題。

c. 為進(jìn)一步拓寬光纖激光器的應(yīng)用場(chǎng)景，高重復(fù)頻率光纖激光器的波長(zhǎng)拓展也成為了當(dāng)前光纖激光的重要研究方向?，F(xiàn)階段鎖模光纖激光器波長(zhǎng)大多被限定為1 μm 和1.5 μm，然而在光纖通信、激光成像等諸多應(yīng)用領(lǐng)域需要其他波長(zhǎng)，如930 nm、1 330 nm、2 μm 波段等。這些波長(zhǎng)的飛秒光纖激光器成為新的研究方向。

2.1 新型鎖模技術(shù)的探索

新型鎖模技術(shù)泛指除SESAM，NPR，NALM鎖模之外的被動(dòng)鎖模技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)碳納米管、石墨烯、二硫化鉬等材料也具備飽和吸收特性，相比傳統(tǒng)SESAM，新型納米材料飽和吸收體在損傷閾值、恢復(fù)時(shí)間和使用壽命方面有所提升[40]，與高摻雜增益光纖及法布里–帕羅腔相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)較高的重復(fù)頻率。

自1999 年Katura 等[41] 首次觀察到了碳納米管（CNTs）在可見(jiàn)光和近紅外范圍的吸收光譜以來(lái)，CNTs 優(yōu)異的快飽和吸收特性引起了學(xué)者們的極大興趣。2005 年，Yamashita 團(tuán)隊(duì)[42] 將CNTs 用作可飽和吸收體，在F-P 腔中加入鉺鐿共摻增益光纖，構(gòu)建了重復(fù)頻率5.18 GHz，脈沖寬度580 fs 光纖激光器。兩年后， Song 等[43] 在此基礎(chǔ)上通過(guò)使用鏡面鍍膜半導(dǎo)體光放大器作為增益介質(zhì)，將重復(fù)頻率提升至17.2 GHz。當(dāng)前CNTs 鎖模實(shí)現(xiàn)的最高重復(fù)頻率光纖激光器由東京大學(xué)團(tuán)隊(duì)搭建，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。組內(nèi)Martinez 等[44] 以一段5 mm的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖作為增益介質(zhì)，并在其兩側(cè)涂覆高反射介電鏡。在全光纖F-P 腔內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了最高重復(fù)頻率為19.45 GHz、脈沖寬度為1 ps的鎖模脈沖輸出。

隨著一維碳材料CNTs 被成功用于激光鎖模，2009 年，二維碳材料石墨烯也被用于被動(dòng)鎖模[45]。相比半導(dǎo)體材料，石墨烯恢復(fù)時(shí)間更快，耦合損耗更小，工作光譜范圍更寬，有著不錯(cuò)的應(yīng)用前景。2012 年，東京大學(xué)Martinez 等[46] 以鉺鐿共摻的磷硅酸鹽光纖為增益介質(zhì)，利用石墨烯的可飽和吸收特性實(shí)現(xiàn)鎖模，并將腔長(zhǎng)縮短至10 mm 左右。最終獲得了中心波長(zhǎng)1 562 nm，基本重復(fù)頻率9.67 GHz，脈沖寬度880 fs 的脈沖輸出。

基于石墨烯鎖模的成功案例，石墨烯類似物的二硫化鉬（MoS2）也被發(fā)現(xiàn)具有飽和吸收特性 [47]。2015 年，Wu 等[48] 利用包埋MoS2 的聚乙烯醇薄膜作為可飽和吸收體搭建了鎖模光纖激光器，并得到了重復(fù)頻率463 MHz 的穩(wěn)定脈沖序列。

2.2 超高穩(wěn)定性高重復(fù)頻率光纖激光器/光梳研究

通過(guò)大幅減少諧振腔內(nèi)光機(jī)結(jié)構(gòu)的方式可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間抖動(dòng)達(dá)百阿秒尺度的光纖激光輸出。其超高的穩(wěn)定性在低噪聲微波源、光頻原子鐘、天文光梳等研究領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。研究發(fā)現(xiàn)，鎖模光纖激光器在100～250 MHz，顯示出與固體激光器可比擬的低定時(shí)抖動(dòng)。但當(dāng)重復(fù)頻率大于500 MHz 時(shí)，鎖模的光纖激光器的時(shí)間抖動(dòng)卻高達(dá)數(shù)十飛秒，遠(yuǎn)高于固體激光器。因此，解決上述問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)超高穩(wěn)性的高重復(fù)頻率光纖激光器的關(guān)鍵。2018 年，Wang 等[49] 基于平衡光學(xué)互相關(guān)手段，表征了880 MHz 摻鐿NPR 光纖激光器脈沖序列的定時(shí)抖動(dòng)。發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的光機(jī)結(jié)構(gòu)，尤其是激光器中自由空間組件的支架，對(duì)脈沖穩(wěn)定性有較大影響。2022 年，Yang 等[50] 基于石英玻璃粘接工藝技術(shù)平臺(tái)，提出了“l(fā)aser/comb on silica”概念。如圖5（a）所示，上述重復(fù)頻率840 MHz 激光器將元件集成到熔融石英玻璃板上，整個(gè)腔內(nèi)無(wú)任何金屬元件，從而機(jī)械噪聲抑制到最小。激光器12 h 內(nèi)重復(fù)頻率漂移小于1 kHz，顯示出異常的穩(wěn)定性。如圖5（b）所示，該激光器在自由運(yùn)轉(zhuǎn)下時(shí)間抖動(dòng)為130 as，在10 kHz頻偏處的單邊帶相位噪聲約為–161 dBc/Hz，時(shí)間抖動(dòng)值與100 MHz的光纖激光器相同，僅略高于同重復(fù)頻率的固體激光器。該研究成果為在光頻原子鐘、天文光梳等重要領(lǐng)域中心應(yīng)用鋪平了道路。

在高重復(fù)頻率光學(xué)頻率梳方面，當(dāng)前500 MHz以上的激光光頻梳多基于NPR 鎖模光纖激光器實(shí)現(xiàn)。2018 年，Ma 團(tuán)隊(duì)[51] 通過(guò)電光調(diào)制器與壓電換能器組合快速調(diào)制腔長(zhǎng)，從而根據(jù)光外差拍頻率鎖定腔長(zhǎng)。搭建了2 個(gè)低噪聲750 MHz 摻鐿光纖頻率梳，1 s 的環(huán)外跟蹤不穩(wěn)定性為1.5×10?18。2022 年，Tian 等 [52] 在此基礎(chǔ)上利用兩個(gè)750 MHz摻鐿光纖頻率梳輔助RF 鎖相。通過(guò)對(duì)雙光梳平移相位（offset phase）修正后，射頻線寬從200 kHz 降低至1 kHz。該雙光梳系統(tǒng)可精確標(biāo)定氣態(tài)乙炔的吸收曲線，驗(yàn)證了該方法的有效性。

2.3 高重復(fù)頻率光纖飛秒激光在輸出波長(zhǎng)方面的拓展

除1 μm 和1.5 μm 的鎖模光纖激光器外，波長(zhǎng)為2 μm 的飛秒脈沖也因其較少的散射和高水吸附而備受關(guān)注[53]。為滿足遙感和成像、組織燒蝕和聚合物焊接等領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的需求[54-55]， 2.0 μm脈沖激光器的開(kāi)發(fā)成為了研究熱點(diǎn)。其中，2 μm波段高重復(fù)頻率超短脈沖激光器可以帶來(lái)更大的縱向模式間距[56]，顯著提高短波紅外和中紅外光梳的采集速率[57]。

在眾多2.0 μm 脈沖激光器中，摻銩光纖激光器因其占地面積小、可靠性高、光束質(zhì)量好而備受關(guān)注。為獲得高重復(fù)頻率的基模鎖定，使用高增益光纖縮短激光腔極其關(guān)鍵。但受限于銩摻雜增益光纖的高Tm3+摻雜濃度和玻璃纖維低OH?含量[58]，極少有研究報(bào)道2 μm 波段GHz 基本重復(fù)頻率摻銩激光器。2018 年，楊中民團(tuán)隊(duì)制造了一種高Tm3+摻雜的鍺酸鎵鋇（BGG）玻璃光纖[59]，該光纖在2 μm 波段有著優(yōu)異的增益系數(shù)。Cheng 等[60]以一段5.9 cm 的BGG 光纖為增益光纖， 基于SESAM 鎖模搭建了 GHz 摻銩光纖振蕩器。圖6 展示了激光腔結(jié)構(gòu)示意圖，摻銩BBG 光纖兩端平面垂直拋光。一端與介電膜對(duì)接耦合，另一端與SESAM 連接。介電膜透射光譜與腔內(nèi)器件實(shí)物圖如圖6（a）～（c）所示。最終成功實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率1.6 GHz，脈寬7.2 ps，光譜寬度12.2 nm 的脈沖輸出。該系統(tǒng)可以在20 °C 溫度下持續(xù)10 h 保持鎖模操作，沒(méi)有明顯波長(zhǎng)漂移，具有較高的穩(wěn)定性。

3 總結(jié)與展望

高重復(fù)頻率飛秒脈沖憑借縱模間隔短、峰值功率高、輸出脈寬窄的特性，在激光雷達(dá)、高端制造、光學(xué)頻率梳等諸多領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值[61]。

在高端制造領(lǐng)域，高重復(fù)頻率激光輸出在時(shí)間尺度上擁有更少脈沖占空比，自發(fā)輻射可以得到更好抑制，熱效應(yīng)更小，是微納加工的良好光源 [62]。在光學(xué)頻率梳領(lǐng)域，高重復(fù)頻率超快光源可以有效減少光濾波次數(shù)，而光纖結(jié)構(gòu)可以有效壓縮系統(tǒng)體積，其較高的穩(wěn)定性可將光纖光梳的時(shí)間抖動(dòng)縮小到百阿秒尺度 [63]，在天文光學(xué)定標(biāo)、太赫茲異步采樣、拉曼光梳等研究方向有更為良好的表現(xiàn)[64]。在光絲激光雷達(dá)領(lǐng)域，高重復(fù)頻率激光器因其單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)量較多的特性，可被用作種子源，通過(guò)相干脈沖堆積的方法，實(shí)現(xiàn)太瓦量級(jí)的飛秒脈沖輸出[65]。

隨著腔內(nèi)脈沖形成與孤子演化理論的深入、鎖模機(jī)制的研究、腔內(nèi)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及材料高摻雜技術(shù)的發(fā)展，超短脈沖激光器的重復(fù)頻率將進(jìn)一步提高，工作波長(zhǎng)也將進(jìn)一步拓展。相信高重復(fù)頻率超短脈沖激光器的發(fā)展也會(huì)為更多研究領(lǐng)域帶來(lái)新的突破。