飛秒光纖激光技術的發展狀況及主要研究方向（轉載）

飛秒光纖激光器和飛秒鈦寶石激光器幾乎是同時發展起來的, 甚至比鈦寶石激光器還要早[ 1] 。鈦寶石激光器輸出脈寬經過短短幾年的時間, 就從100 fs 左右迅速縮短到5 f s 以下[ 2, 3] ; 如果不追求短脈沖, 鈦寶石激光器的*優勢是具有非常寬的可調諧譜。而光纖激光器經過了近20 年漫長的時間, 其脈寬還在幾十飛秒徘徊。隨著飛秒激光器的應用不斷擴展, 鈦寶石激光器本身的高價格( 主要是其抽運激光器) 、低穩定性和大體積等弊病日益顯著, 而光纖激光器以其低成本、高穩定性和小體積等優點逐漸被人們重視。但是和鈦寶石激光器相比, 光纖激光器有兩個主要問題: 1) 脈寬還不能短到與鈦寶石激光器相比, 2) 輸出脈沖能量還不夠高。其實對于大多數應用來說,脈沖寬度只要求在100 fs 左右。而對脈沖能量, 對于許多應用, 例如生物光學成像, 也只需要幾個納焦量級。對于需要高能量的場合, 光纖激光的放大也很方便。因此, 飛秒光纖激光器還是大有可為的。

1. 1飛秒光纖激光技術發展歷史回顧

飛秒光纖激光技術, 按照其脈沖成型原理, 經歷了這樣幾個發展階段:

1) 孤子型[ 1] : 脈沖的形成依賴于自相位調制和負色散的平衡。脈沖的波形為雙曲正割型;

2) 色散控制型[ 4] : 腔內有正負兩種色散, 色散基本平衡, 脈沖經過展寬壓縮過程。脈沖形狀可用高斯型模擬;

3) 自相似型[ 5] : 腔內正色散更多一些, 脈沖的光譜呈拋物線型;

4) 全正色散型[ 6] : 腔內無色散補償。脈沖的縮短靠光譜濾波器濾掉脈沖兩端的啁啾波長分量。脈沖光譜近似方波形狀。

初期孤子型鎖模激光器的輸出能量都在納焦以下。這主要是因為受孤子鎖模中的面積定理的限制, 當抽運功率的加大超過一定程度, 脈沖就會分裂為高階孤子。為了提高輸出脈沖的能量, 麻省理工學院的研究者提出了色散控制型鎖模的概念[ 4] , 即在腔內加入正色散光纖, 讓脈沖在腔內有一個展寬/放大壓縮的過程。這樣輸出的脈沖不僅能量高, 而且脈沖短。但是, 脈沖能量仍然在納焦徘徊。為了提高脈沖能量, 康奈爾大學的研究者接過了麻省理工學院的旗幟, 提出了光纖激光器中自相似型[ 5] 和全正色散鎖模[ 6] 的概念。自相似型鎖模光纖激光器中, 凈色散不僅為正, 而且數值也不小, 因此脈沖在高能量下不至于分裂。更有甚者, 特別是在1 um 波長的光纖激光器中, 腔內可以沒有任何色散補償元件, 全部為普通單模正色散光纖。此時輸出的脈沖能量可達幾十納焦[ 7] 。除了脈寬和能量, 不斷增加的新應用也要求光纖激光器提高脈沖的重復頻率。普通的環形腔飛秒光纖激光器的重復頻率多在40~ 50 MHz。作為光學頻率梳的光源, 重復頻率要求大于200 MHz, 以滿足頻率計數器的

分辨率要求。

更高重復頻率光纖激光器的必要性在于其作為天文光學頻率梳的光源, 要求頻率間隔在20 GHz 以上[ 8] 。天文光學頻率梳是天文光譜儀的定標源。這樣高的重復頻率不是光纖激光器的長處。固體激光器和半導體激光器做高重復頻率比光纖激光器要容易得多。但是, 光纖激光器相對于固體激光器的優勢是無水冷, 相對于半導體激光器的優勢是脈沖短。彌補這個缺陷的通用做法是用法布里珀羅( F-P) 標準具將重復頻率倍增到20 GHz 以上[ 9] 。而這同樣要求重復頻率越高越好, 因為F- P 標準具的有限線寬也會使激光器源的邊模透過, 導致光譜定標誤差產生[ 9] 。高重復頻率即大頻率間隔可減少邊模的透過。

1. 2飛秒光纖激光技術主要研究方向

當前國際上飛秒光纖激光器的主要研究方向是:

1) 超低重復頻率、直接從光纖激光振蕩器中獲得高脈沖能量輸出。飛秒光纖激光器的應用擴展很大程度上取決于單脈沖能量的大小。為了簡化系統, 直接從光纖激光振蕩器中輸出幾十甚至幾百納焦的脈沖能量。這樣不但可以直接應用于成像和加工領域, 繼續放大也會減輕放大器的級數, 并緩解放大后脈沖壓縮的壓力。用增加腔長、降低脈沖重復頻率的是的技術。需要解決的關鍵科學問題是在長腔下, 色散、非線性和脈寬的關系。在長光纖腔中, 特別是在全正色散的情況下, 鎖模本身雖然不困難, 但脈沖很難壓縮。降低光纖色散, 如果不降低光纖的非線性, 仍然會有脈沖不能被壓縮的問題; 如果減少腔內光譜濾波器的帶寬, 可以使非線性減少并使脈沖可壓縮, 但是窄帶寬會使最后壓縮的脈沖變寬。因此需要很好地研究解決;

2) 超高重復頻率、超低噪聲, 以備光學頻率梳和微波光子學的應用。超高重復頻率和超低噪聲是光纖激光器在超精密光譜學和微波光子學應用的需要。至兆赫茲量級的超高重復頻率可以為高精度光譜儀定標、也可以作為新的微波源。這就需要大大降低激光器的噪聲。這方面的研究集中在超高重復頻率光纖激光器的鎖模機理、色散控制與噪聲的關系、高穩定度參考源等方面;

3) 進一步縮短脈沖。小于20 f s 的脈沖一直是光纖激光器與鈦寶石激光器競爭的坎。一方面由于光纖激光器增益介質帶寬的限制, 不支持小于20 fs的脈沖; 另一方面, 由于光纖中的色散補償問題, 脈沖也很難做到變換受限脈沖。但是, 最近的模擬和實驗表明, 在短光纖情況下光纖激光器中非線性和色散的相互作用, 有可能使脈沖寬度超越激光增益帶寬, 最終小于20 f s;

4) 新型鎖模技術的探索。例如碳納米管、石墨烯等。雖然已經有很多文獻發表, 但是真正實用的器件還很少;

5) 波長擴展。常規的鎖模光纖激光器集中在摻鐿和摻鉺光纖上, 波長限定為1 um 和1. 5 um。很多應用需要其他波長, 例如920, 1300 和2000 nm。因此這些波長的飛秒光纖激光器成為新的研究方向。國際上主要的飛秒光纖激光器研究團隊是麻省理工學院( MIT) 和康奈爾大學, 他們起著方向的作用。其他研究團隊例如Max-Planck 研究所目標是高重復頻率光纖頻率梳[ 10] , 東京大學[ 11] 、劍橋大學[ 12, 13] 和亞利桑那大學[ 14] 側重于碳納米管和石墨烯鎖模; 席勒大學偏向高功率光子晶體光纖激光器等。新加坡南洋理工學院也曾創造過最短脈沖的世界紀錄 。

國內的飛秒光纖激光器的研究主要是跟蹤國外的發展, 尚缺乏的理論和技術。

西安光學精密機械研究所在國內開展飛秒光纖激光器和放大器的研究, 并實現了產品化。天津大學主攻大模場面積高平均功率光子晶體色散控制鎖模和全正色散鎖模光纖激光器, 北京大學的研究重點是高重復頻率光纖激光器和光纖頻率梳。國防科學技術大學、上海光學精密機械研究所和湖南大學等很多大學和研究所也有各種飛秒光纖激光器的研究 。