2.2.2　光纤飞秒激光技术

传统的飞秒激光器基于固体增益介质，最高峰值功率、最短脉冲宽度等输出指标都由它保持，但是它距离超短脉冲激光技术的普及化还有差距。这是因为，固体激光器中大量使用分立器件且光路在自由空间中传输，这使其操作复杂，维护成本高，且需要在苛刻的超净环境中使用，极大地限制了其应用范围。

掺、、稀土元素的光纤锁模激光器是与固体锁模激光器同步发展起来的一种新型超短脉冲光源，掺光纤激光器的发射谱在1 550波段，广泛应用于光通信；掺光纤工作在1.06，具有超过80%的泵浦光−激光转化效率，适于开发高功率光纤激光系统；掺光纤工作在1.96 μm，具有重要的分子吸收谱并处于大气传输低损耗窗口，适合于开展激光雷达等应用。从本质上讲，光纤激光器也属于固体激光器。但它具有许多固体激光器无可比拟的优势：

（1）光束完全被封闭在纤芯中，不再受周围环境的影响，将飞秒激光器从超净、恒温和防震的高级实验室中解放出来。而且，具有全光纤结构的光纤激光器可以省却精密的空间光路调节，结构紧凑，易于维护。

（2）光纤具有很大的表面积-体积比，具有极好的散热效果，在大功率运转时甚至不需要冷却装置。

（3）光纤激光器可以获得衍射极限的光束质量。

（4）光纤的单次通过增益高，具有最佳的泵浦光−激光转换效率。

这些优势使得光纤激光器成为普及化的飞秒激光技术。

光纤增益介质比固体长很多，因此光纤激光器具有比固体激光器更强的色散和非线性，色散来自在光纤中的长距离传输，而非线性来源于微米量级的单模纤芯对光场的紧束缚。这使得光纤激光器与固体激光器相比，有更加丰富的锁模方式和腔内脉冲演化动力学特征[3]。

1）光纤激光器内的锁模方式

（1）非线性偏振旋转（Nonlinear Polarization Evolution，NPE）锁模。光纤激光器常用NPE效应实现脉冲成形，它等效于快可饱和吸收体。NPE锁模激光器原理如图2-8所示。在环形腔激光器内，把从偏振分束器透过的光脉冲转化成椭圆偏光耦合至光纤中，当脉冲在光纤中传输时，由于光克尔效应而积累与光强相关的非线性相移，形成与光强相关的偏振态；如果在光纤出射端引入检偏器（1/4波片、半波片和偏振分束器的组合），就可以把偏振态的调制转化成损耗调制，实现脉冲压缩。NPE锁模的缺点是只能采用非保偏光纤，环境稳定性较差，不利于实用化。

（2）非线性放大环形镜（Nonlinear Amplifying Loop Mirror，NALM）锁模。将光纤耦合器同一端的两根光纤通过泵浦的增益光纤连接，便得到了非线性放大环形镜（NALM）。NALM的原理如图2-9（a）所示。当输入光在环路中的两个方向传输时，由于逆时针传输的脉冲先通过增益光纤放大，因此比顺时针传输的光脉冲积累更多的非线性相移。当两个方向传输的脉冲再次重合时，两路传输的非线性相移差ΔФ=n2kΔIL（n2为非线性折射率，k为传播常数，ΔI为两个方向的平均光强差，L为光纤长度）会导致出现与光强相关的NALM透射率，从而起到快可饱和吸收体的作用。为了获得更佳的自启动性能，同时在环路中引入非互易性相移器，其作用是在非线性相移的基础上叠加一个固定相移Δφ。图‎2-9（b）、（c）分别示出了无相移器（8字腔锁模）和有相移器（9字腔锁模）情况下的腔结构设计。8字腔锁模和9字腔锁模时，NALM环路透射率与非线性相移差的关系分别如图‎2-9（a）的实线、虚线所示。在脉冲形成初始阶段，入射非线性放大环形镜的光信号可视为准连续光，非线性相移差为零。若无非互易相位偏置器，在脉冲形成起始阶段，NALM的环路透射率相对于脉冲光强的斜率为零，如实线所示。激光器很难实现锁模运转，需要加入外部扰动或腔内调制器辅助锁模启动。若加入非互易性相位偏置器，脉冲在环形镜内传输时按相反方向通过相位偏置器，引入了附加相移差，通过调节相位偏置器，可使透射率曲线发生平移。如虚线所示，此时透射率曲线的斜率为正，也就是说非线性相移差随脉冲峰值功率的增加而增大，透射率也随之增大，从而实现等效可饱和吸收效应，有利于实现激光器稳定锁模运转。

9字腔锁模可以采用全保偏光纤设计，且非互易性元件支持自启动锁模，极大地提升实用性，因此这种锁模方式近年来引起广泛的关注。2016年，德国Menlo Systems公司开展了光学频率梳的微重力实验，其光学频率梳就是基于9字腔锁模的全保偏掺铒光纤飞秒激光器实现的‎[5]。

（3）真实可饱和吸收体锁模。真实的可饱和吸收体也常用于光纤激光器的自启动锁模，常见的可饱和吸收体包括半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Absorptive Mirror，SESAM）、碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）、石墨烯（Graphene）、拓扑绝缘体（Topological Insulator）等。利用真实的可饱和吸收体可以自启动，且能实现全光纤化的设计。图2-10（a）给出了利用单壁碳纳米管（SWCNT）吸收体锁模的激光器。激光器的设计非常简单，采用环形腔结构，由掺铒光纤提供增益，泵浦光由波分复用器注入；SWCNT作为可饱和吸收体，由两根FC/PC跳线和一个法兰盘连接在激光腔中，如图 2-10（b）所示；利用光隔离器保证单向传输，偏振控制器调整腔内的偏振态，在合适的偏振控制器角度下，激光器可以实现锁模自启动；锁模脉冲激光由光耦合器输出至腔外。这种锁模方式的局限性在于：其脉冲宽度一般很难达到NPE、NALM等锁模机制的水平，且破坏阈值普遍较低，较难实现高功率运转。另外，这种激光器的噪声性能也不及NPE、NALM。

2）光纤激光器内的脉冲动力学

光纤飞秒激光振荡器本质上是非线性动力学系统，脉冲成形与演化的非线性动力学的调控是推动光纤飞秒激光器性能增强与输出指标提升的引擎，在后续章节将看到，飞秒激光源的输出特性与飞秒激光测距能达到的性能指标息息相关。光纤飞秒激光器内的脉冲演化是由谐振腔的净色散量、非线性及耗散等过程决定的，下面介绍几种典型的脉冲演化机制‎[3,4]，包括孤子锁模、呼吸孤子锁模、自相似锁模和耗散孤子锁模等。通过数值仿真得到脉冲在一个腔循环周期内的时间域和光谱域的演化过程，光纤飞秒激光器的腔内脉冲动力学如图 2-11所示，下面详细介绍。

孤子锁模（Soliton Mode Locking）。在谐振腔呈反常色散的情况下，光纤中的色散与非线性效应的平衡支持光孤子的产生，利用这种孤子效应压缩脉冲宽度的锁模机制称为孤子锁模。如图2-11所示，在一个腔循环周期内，脉冲依次经过增益、色散补偿、输出和可饱和吸收体，孤子成形机制使得脉冲在传输过程中，时域、光谱域的形状基本保持不变。与单纯利用可饱和吸收体锁模不同的是，利用孤子成形机制可以获得比激光器的净增益窗口窄得多的超短脉冲，腔内引入的可饱和吸收体仅起到启动锁模并稳定孤子的作用。

工作于1 550 nm通信波段的光纤激光器常利用孤子锁模获得超短脉冲，光纤在这一波段可以呈现反常色散，与非线性的平衡支持孤子成形。然而，这种孤子锁模激光器一般情况下仅可以获得几十皮焦耳、数百飞秒的激光脉冲。过高的能量会引入更大的非线性相移，破坏稳定的锁模运转。

呼吸孤子锁模（Stretched-pulse Mode Locking）。呼吸孤子锁模可以有效提高单脉冲能量并压缩脉宽。其基本思想是在激光器内引入色散量相近而符号相反的两种色散机制，如图2-11所示，增益光纤提供的正常色散量与色散补偿元件提供的反常色散量相当，孤子脉冲在传输的过程中周期性地展宽、压缩，可以有效降低脉冲的峰值功率，使得这种激光器支持的单脉冲能量比孤子锁模激光器高一个数量级‎[6]。利用这种锁模方式，从掺Yb3+、Er3+光纤激光器中分别得到了28 fs、37 fs的最窄脉冲宽度纪录‎[7,8]。

自相似锁模（Self-similar Mode Locking）。正常色散的光纤可以使脉冲在非线性传输的过程中积累的相移“线性化”，使锁模激光器支持更高的单脉冲能量。正常色散的光纤激光器可以利用可饱和吸收体锁模，然而由于缺少了孤子压缩机制，得到的最窄脉冲宽度受到了很大的限制。因此，开发适合正色散锁模的脉冲压缩机制成为超短脉冲光纤激光器研究领域的新热点。

理论和实验都表明，超短激光脉冲在正常色散的光纤放大器中可以自相似（Self-similar）地传输，使脉冲演化成抛物线形的脉冲和线性的啁啾，这可以有效地避免脉冲放大过程中的光波分裂，从而获得更高能量的光脉冲。由于在放大的过程中，脉冲在幅度和时间都呈指数增长的坐标系下传输时保持形状不变，具有孤子的特性，因此称为自相似子（Similariton）。光纤激光器中同样支持脉冲的近自相似演化，条件是谐振腔内引入一定形式的线性反常色散，以补偿脉冲在正常色散的单模光纤中自相似演化积累的正啁啾，从而使激光器实现自洽。2004年，Ilday等人首先在掺Yb3+光纤激光器中实现了自相似锁模运转[9]。激光器的主体是一段6 m的普通单模光纤，利用一段23 cm长的掺Yb3+光纤提供增益，由光栅对提供线性色散补偿，谐振腔的净色散符号为正。仿真得到的脉冲在一个腔循环周期内的演化过程如图‎2-11所示。由于自相似子是在单模光纤中产生的，因此称为被动自相似子锁模。该实验最高得到了14 nJ的单脉冲能量输出。由于激光介质的有限增益带宽会破坏脉冲的自相似演化，从而限制脉冲能量的进一步提高。从激光器直接输出的脉冲宽度为5 ps，注意到脉冲在光纤中的自相似演化可积累线性相移并有效地展宽光谱，经腔外线性色散补偿，得到了170 fs的变换极限脉冲‎[9]。

与被动自相似锁模相对应的是一种主动自相似锁模方式，自相似演化是在一段长的正色散增益光纤中进行的，一个腔循环周期的脉冲演化过程如图‎2-11所示。入射至增益光纤的是一个经过窄带光谱滤波的超短激光脉冲，窄光谱的光脉冲在长增益光纤中进行自相似放大，并积累线性啁啾，其光谱展宽至接近增益介质的带宽时输出，这可以避免增益窄化对自相似演化的破坏。利用这项技术，可支持42 fs、10 nJ的超短激光脉冲产生‎[10]，且获得高脉冲能量输出与腔内色散无关。

耗散孤子锁模（Dissipative Soliton Mode Locking）。在没有任何腔内色散补偿的情况下，通过在谐振腔内插入一片窄带滤波片实现了高能量飞秒脉冲输出，最早称为全正色散锁模‎[11]，一个腔循环周期内的演化过程如图2-11所示。从锁模原理上讲，由于正常色散光纤激光器中传输的脉冲具有强烈的线性啁啾，滤波片的有限滤波窗口可以将光谱调制转化为自振幅调制，从而起到压缩脉冲的作用，如图2-12（a）所示。从非线性系统的角度讲，在引入窄带滤波器的同时，被动锁模激光器由哈密顿系统转化为耗散非线性系统（激光器与外界环境存在能量交换）。在哈密顿系统中，孤子的产生仅取决于反常色散和非线性的平衡，并存在无数个孤子解；而在耗散系统中，激光器内的增益与损耗、群速度色散与自相位调制效应的双重平衡机制形成了耗散孤子，不要求激光器为反常色散。与哈密顿系统相比，耗散系统的这种双重平衡机制在谐振腔内构造了唯一的非线性固定点吸引子（Nonlinear Fixed Point Attractor），耗散孤子锁模动力学原理如图2-12（b）所示。这意味着，即使激光器在启动时的初始条件不同，或在稳定运转过程中受到外部干扰而状态改变，都会自动收敛到固定的孤子解（由固定点吸引子决定），从而极大增强了激光器的稳定性。