超高重频超短脉冲光纤激光技术探析

20世纪90年代，人们将锁模技术引入到光纤激光领域，由此成功开发出高重频锁模光纤激光器。通过调Q、锁模等技术，光纤激光的输出脉冲可以覆盖从准连续到飞秒，皮秒、飞秒光纤激光的峰值功率已达到10 MW量级［33］。

2016年，Yang等基于Ho：ZBLAN光纤，采用非线性偏振旋转（nonlinear polarization rotation，NPR）技术，利用保偏光纤和偏振相关隔离器组成腔内Lyot滤波器，实现了1.2μm耗散孤子锁模，重复频率1.77 MHz，脉冲宽度47 ps，脉冲能量1.3 nJ［96］。华南理工大学杨中民课题组利用掺Yb3+多组分高增益光纤，实现了1.0μm波段重复频率3 GHz、脉冲宽度200 fs以及重复频率为12.5 GHz、脉冲宽度为1.9 ps的激光输出［97］。高增益复合光纤的成功研制，使得通过缩短谐振腔的长度获得高重复频率成为可能，因此在实现高重频超短激光脉冲输出方面表现出极大的优势。Martinez等使用Er3+/Yb3+共掺高增益磷硅酸盐玻璃光纤，在1.56μm获得了重复频率19.45 GHz、脉冲宽度0.79 ps的锁模脉冲［98］。这是迄今为止在1.5μm波段实现的最高重复频率超短脉冲激光输出。

近年来，德国马普所提出了基于光子晶体光纤（PCF）的GHz光声锁模光纤激光器［99，100］。这种激光器中，具有高空气填充分数的实心PCF中强烈的光声相互作用可实现高次谐波锁模，在1550 nm处产生重复频率为2 GHz的接近100 fs脉冲；有可能实现一种全新的建立在光声效应上的全光存储器，实现方便、快速、低能量的读/写。与传统单模光纤中光声效应相比，微米级PCF纤芯严格声约束产生的光机械增益值要高出两个数量级，声共振频率高出约100倍。这些增强使得成百上千的孤子强烈地相互作用，从而形成稳定的光机械束缚孤子态。PCF中声波频率与孤子比特率非常匹配，而在自由运转的腔中，由于腔长的波动，孤子比特率缓慢漂移。这种在比特率和声波频率之间主动和稳定的锁定，使得存储孤子序列不易受环境扰动影响，可以用来长期存储数据。

随着飞秒级超短脉冲激光技术和激光稳频技术的进步，飞秒光梳技术获得发展。飞秒光梳技术要求对载波包络相移频率进行精密控制。但在光子晶体光纤出现之前，并没有很好的办法探测飞秒脉冲的载波包络相移频率，因此，只能通过将两个梳齿锁定到稳定频率源上来实现光梳。2000年，Diddams和Holzwarth等利用光子晶体光纤，将飞秒激光器的输出脉冲扩展一个倍频程，实现了对相移频率的精密控制，将飞秒光梳的频率稳定度提高到5.1×10－16［101，102］。这一成果大大推动了光梳技术在精密光谱测量、超快光学、光频标等领域的应用。(www.xing528.com)

此外，中红外波段脉冲激光器也受到了极大的关注，特别是在精密探测、医疗和先进制造等领域。如何获得大能量、高峰值功率、超短脉冲和超高重复频率激光成为中红外光纤激光研究的热点。Akosman、Kuan和Wang等基于线性腔结构，将腔长分别缩短到40 cm、18.7 cm和10 cm，在2μm波段实现了重复频率为253 MHz（脉冲宽度315 fs）、535 MHz（脉冲宽度7.9 ps）的基频锁模脉冲输出［103－105］。2018年，Zeng等采用孤子锁模技术实现了基频锁模重复频率1.25 GHz、脉冲宽度426 fs的2μm激光输出［106］。但受限于石英光纤较低的增益系数，无法进一步缩短腔长，因此难以实现更高重复频率、更窄脉冲宽度的激光输出。2016年，华南理工大学杨中民课题组利用厘米级高增益多组分复合光纤构建线形短谐振腔，通过被动锁模技术，在107 mW的泵浦功率下实现了2.0μm波段1.6 GHz的基频锁模脉冲输出，脉冲宽度7.2 ps［107］。随后，在2019年，该课题组构建了一种全光纤结构的高功率高重频飞秒激光器，在2.0μm波段实现了基频锁模重复频率为2 GHz、脉冲宽度126 fs、平均功率8 W的激光输出［108］。

Er：ZBLAN光纤由于在3μm光纤激光器中的突出表现，成为实现3μm超高重复频率超短脉冲光纤激光器的首选。1994年，布伦瑞克工业大学的Frerichs等首次尝试Er：ZBLAN光纤，通过调Q实现了最大峰值功率2.2 W的脉冲输出［109］，从此拉开了3.0μm脉冲Er：ZBLAN光纤激光器研究的序幕。2000年，Libatique等采用双包层掺杂Er3+光纤获得了中红外调Q脉冲。但由于缺乏合适的饱和吸收体，脉冲光纤激光输出并不理想，其脉冲宽度为7μs，峰值功率仅为5.4 mW，单脉冲能量约为38nJ［110］。随后的十几年，人们对基于Er：ZBLAN光纤的调Q激光进行了大量研究，并开发出石墨烯、拓扑绝缘体、黑磷、过渡金属硫化物、Fe2+：ZnSe晶体和薄膜、半导体饱和吸收镜（semiconductor saturable absorption mirror，SESAM）等饱和吸收体，最终在3μm波长实现了稳定被动调Q运转［111－121］，但通过调Q技术实现脉冲激光输出重复频率难以突破kHz级别，且脉冲宽度一般在ns量级，脉冲能量在μJ级别。若要实现更窄的脉冲宽度，比如皮秒或者飞秒量级的脉冲，则还需要采用锁模技术。

由于近3μm波段锁模器件和高速探测器的限制，该波段的锁模相对调Q技术起步较晚。2015年，谢国强等通过在双包层Er：ZBLAN光纤激光器中使用半导体饱和吸收镜，获得了平均功率超过1 W、重复频率22.56 MHz、脉冲宽度25 ps的中红外锁模激光脉冲［122］。同年，加拿大拉瓦尔大学的Duval等基于Er：ZBLAN光纤，通过被动锁模获得了脉宽为207 fs、重复频率55.2 MHz、中心波长2.8μm的锁模激光脉冲，将中红外激光源的脉宽突破到飞秒量级，且峰值功率达到3.5 kW［123］。2016年，Antipov等则进一步将NPR技术应用于Ho3+/Pr3+共掺光纤激光器中，在2.9μm波段获得了脉宽为187 fs的激光脉冲，激光器的峰值功率高达37 kW、重复频率43.1 MHz［124］。2017年，Woodward等基于Ho：ZBLAN锁模光纤激光器，利用高非线性硫化砷光纤，通过非线性压缩将脉宽压缩至70 fs［125］，这是到目前为止报道的最短脉冲宽度的3μm锁模光纤激光器。目前，基于氟化物光纤的3.0μm脉冲光纤锁模激光器重复频率可达到MHz量级，脉冲宽度在皮秒至百飞秒量级，峰值功率为kW量级，但脉冲能量还是比较低（nJ）［122，123，126－129］。