被动锁模光纤激光器

波长转换器

被动锁模光纤激光器是一种高效的波长转换器，可以将泵浦光波长转换为所掺稀土离子的激射波长。

1概述

超短脉冲光纤激光器技术在高精度光纤传感技术、大容量高速率波分复用光纤通信系统和大功率激光等方面呈现出显著的技术优势和广阔的应用前景，同时也受到了来自国防科技、电子信息和工业加工等研究领域的高度关注。伴随着符合超短脉冲光纤激光器发展需要的各种光纤材料以及各种光纤尤其是新的激光泵浦技术和掺杂稀土光纤材料的快速发展，都极大地推动了超短脉冲光纤激光器技术的进步。自从 20 世纪 90 年代以来，随着掺杂光纤制作技术以及半导体激光器的日益成熟，超短脉冲光纤激光器的研究取得了重大的进展。

超短脉冲光纤激光器是一种有源光纤器件，增益介质通常选择掺杂稀土离子的光纤。与传统的激光器相比，光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑、易于集成、能量转换效率高等许多优点。被动锁模光纤激光器在光通信、传感、医疗器械等许多应用领域都有很大的发展潜力。上世纪末期，锁模光纤激光器技术兴起。继而随着科学发展和技术进步，锁模光纤激光器在科学研究和工业大生产中起到愈来愈大的作用，在微加工、光通信、太赫兹波等多领域有着广泛的应用。锁模光纤激光器体积小、携带轻便、工作稳定性好，可以输出高峰值功率超短脉冲。伴随着光通信网络以及光纤技术及其相关领域技术的快速发展, 被动锁模光纤激光器技术正在不断向更深的领域推进, 特别是以光纤光栅、光子晶体光纤、滤波器、掺杂双包层光纤等为基础的新型光纤器件的陆续面市, 将为光纤激光器以及锁模光纤激光器的设计提供广阔的思路。相比传统固体激光器, 被动锁模光纤激光器是一个新兴的课题, 其真正意义上的发展历史仅有十几年, 还存在许多新的发展空间。因此对被动锁模光纤激光器的理论模拟和特性研究，是势在必行。

被动锁模光纤激光器产生的超短脉冲，拥有超短的恢复时间、超强的峰值功率、超值的价位等众多优点而广受关注，成为激光领域的研究热点。因此被动锁模光纤激光器在空间通信、传感、激光与物质之间的相互作用、激光雷达、生物光子学、遥感等许多应用领域都有很大的发展前景，因而成为各国的研究的重点.被动锁模光纤激光器的分类和特点

被动锁模光纤激光器的分类

自从 1958 年激光器的出现，基于此的光学和光电子学等几个领域相继兴起，特别是超快光学的兴起，超快光学中可以在锁模激光器中产生超短的脉冲。这样的超短脉冲在光通信领域，可以实现长距离超高速的传输。于 1963 年，第一台被动锁模激光器成为了人们研究的热点。最近，光纤激光器由于其结构紧凑灵活吸引了光通信光传感领域研究者们的注意。被动锁模光纤激光器是一种非线性全光纤的激光器件，可以实现腔内不插任何调制器之类的器件的情况下输出超短脉冲。

被动锁模光纤激光器的特点

通讯业的蓬勃发展促进了光纤激光器技术走向成熟，由于掺杂光纤技术的成熟，光纤激光器的应用发生了转型，不单单停留在通讯业中的应用。

被动锁模光纤激光器能够输出超短脉冲，它结构简单、体积小、与光纤容易兼容，而且制作成本较低，同时也拥有一般的超短脉冲固体激光器的优点。被动锁模光纤激光器工作时光纤中出现多种非线性效应，能使纤芯内产生很高的功率密度，使其输出的光谱波长范围更宽。它的这些优越的性能，使它在未来的远距离光纤通信，激光武器，光纤传感等方面有重要的意义。

通用的激光器主要采用的是半导体激光器，但是其存在一些对光纤通信大大制约的问题，例如，半导体激光器输出耦合入光纤时，耦合效率是难以确保的，同时，半导体激光器波长可调范围小，且单色性较差，线宽远大于 100KHz。光纤激光器作为第三代激光器，而被动锁模光纤激光器作为可以产生超短脉冲光的光纤激光器，显示着巨大的优势：

（一）能在恶劣的工作环境工作，对震荡、灰尘、冲击有着很高的容忍度。

（二）兼容性良好。光纤激光器的输出尾纤可以选择与常规传输光纤相匹配，易于进行光纤集成，耦合效率高，损耗低，与光无源器件耦合易于实现全光纤传输系统。

（三）对其调节，维护简单易行。因为在被动锁模光纤激光器谐振腔内无光学镜片，采用光纤耦合方式或者是直接制作光纤截面腔镜构成谐振腔。

（四）体积小，结构简单。被动锁模光纤激光器的几何尺寸小，可以采用耦合器、波分复用器或者合束器以及其他的光学元件耦合到光学系统中，减少对光学元件的需求，加大简化了被动锁模光纤激光器的设计与制作。

（五）良好的温度稳定性。被动锁模光纤激光器整个光路基本采用全光纤，基质材料采用的是二氧化硅，有着良好的温度稳定性，允许的环境温度在零下20 度到 70 度，工作物质的热负荷较小，能产生高峰值功率的脉冲。

（六）调谐方便，输出波长较多。被动锁模光纤激光器的增益介质采用掺杂稀土离子的光纤，我们了解到稀土离子有着丰富的能级结构，能级跃迁包含了从紫外波段到红外波段；也因为掺杂稀土离子的光纤光谱较宽，当在在谐振腔里插入波长选择器便可得到可调谐激光器。

（七）转换效率高。被动锁模光纤激光器具有波导式的光线结构，光纤既起到激光增益介质的作用又起到光的导波介质的作用，那么泵浦光的耦合效率会相当高；由于光纤激光器采用的光纤纤芯芯径很小，可以在纤芯层产生较高的功率密度，损耗低，散热快，体面积比较低，那么相应的转换效率较高。

（八）性价比较高。硅光纤的工艺的日渐成熟，可以根据市场需要制作不同掺杂浓度以及共掺杂的光纤，并且使用与稀土离子吸收谱对应的半导体二极管作为泵浦源，这些大大的降低了激光器的成本。

3 被动锁模技术类型

实现光纤激光器被动锁模的方法主要包括半导体可饱和吸收体被动锁模、附加脉冲锁模、非线性偏振旋转被动锁模等。

半导体可饱和吸收体

早在20 世纪70 年代, 可饱和吸收效应就已用于被动锁模, 在附加脉冲锁模技术出现之前, 它是实现被动锁模的有效方法之一。其锁模机制可描述如下:当脉冲通过吸收体时, 边缘部分损耗大于中间部分,结果光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化。为了清楚地理解可饱和吸收体锁模的物理机制。

在低强度情况下, 当光子经过可饱和吸收体时被吸收, 结果一个电子跃迁到了高能级态, 很快这个电子就经过非辐射跃迁过程回到基态, 这样吸收体又可以吸收其他光子。在高强度极限下, 可以想象为很多光子同时入射, 虽然一部分光子被吸收, 但它们有效地抽运并饱和了吸收介质, 因此其他入射光子可以无吸收地通过吸收介质。这样就实现了阻止低强度光、通过高强度光的饱和吸收作用。光纤激光器中常用的可饱和吸收材料是半导体吸收介质,可以采用单层或多层量子阱结构制成。半导体可饱和吸收镜(SESAM) 是半导体可饱和吸收体和反射镜的结合, 一般使用半导体布拉格层对构成底部反射镜,顶部采用高反射介电膜层或直接使用空气层作为反射界面, 可饱和吸收体夹在中间。可饱和吸收体利用其自身的相应恢复时间作为时间选通门来对激光脉冲进行时间上的整形, 对于脉冲中能量较低的部分完全吸收, 引入损耗机制; 当脉冲中能量较高的部分通过, 达到可饱和吸收体的饱和吸收阈值时, 可饱和吸收体在强光的作用下吸收饱和被漂白而变得透明, 这样使得后续部分得以在漂白恢复时间内无损耗地通过; 而当可饱和吸收体达到响应恢复时间, 重新恢复吸收特性后, 新的可饱和吸收过程便再次重新开始。另外, 还可以把半导体激光放大器用作可饱和吸收体, 但要求它工作时的偏置电流必须低于阈值。这种方法产生的脉冲宽度一般为皮秒和飞秒级, 它虽然具有脉宽窄、结构简单、紧凑、成本低、锁模稳定、调整简单等优点, 但是这种激光器不是全光纤结构。

附加脉冲锁模

附加脉冲锁模是利用非线性放大环镜(NonlinearAmplifying Loop Mirror , NALM) 或非线性光纤环镜(Nonlinear Optical Loop Mirror , NOLM) 作等效可饱和吸收体。NOLM 环和NALM 环的基本结构都是Sagnac 干涉仪, 这种结构具有全光纤特性。NALM 是将一个放大器非对称地置于耦合器的一侧, 这样进入耦合器的光被分成两个传播方向相反的光束, 其中一路光刚进入环路即被放大, 另一路则在离开环路时被放大, 由于自相位调制的作用这两列相反方向传播的光在NALM 内往返一次后获得了不同的非线性相移, 而且相位差不是一个常数, 而是随脉冲的色散形状变化。这样NALM 就具有了类似饱和吸收体那样的强度相关的透射函数。

4 被动锁模光纤激光器的研究现状

不同锁模类型被动锁模光纤激光器的国内外研究现状采用环形腔来实现被动锁模的光纤激光器通常有三种：非线性光纤环形镜光纤激光器（NALMFL）、非线性偏振旋转效应光纤激光器（NPRFL）和可饱和吸收体光纤激光器（SAFL）。

基于单壁碳纳米管的被动锁模光纤激光器的国内外研究情况被动锁模光纤激光器由于其结构简单以及可以产生皮秒脉冲成为较好的脉冲光源。传统的被动锁模的一个缺点光纤激光器的脉冲重复率是比较低的，充其量是一个几十 MHz 的，苦于谐振腔腔长太长。而被动锁模光纤激光器可以通过改变光纤的长度而调节腔长，最小可以达到 GHz，谐振腔腔体长度较短，意味着需要一个高的增益光纤以及一个低损耗的饱和吸收体。首先被提出满足这种要求的可饱和吸收体是碳纳米管。低浓度碳纳米管表现非常宽带的共振吸收，低散射。

2009 年，提出一个新的想法在一个中空的光纤中注入单壁碳纳米管分散液。光与附着在整个中空光纤表面的单壁碳纳米管复合材料相互作用。这项研究证明被动单壁碳纳米管填充的空心光纤被动锁模光纤激光器可以输出光谱带宽 5.5nm，脉宽为 490fs，重复频率为 18.5MHz 的脉冲。

2010 年，提出利用飞秒激光器在光纤上制作微槽并且填充分散的碳纳米管。由于这种制作方法灵活，工艺简单，可以独立高效的制作锁模器件装置，并且插入到光纤激光器中。此研究发现在饱和吸收体作用长度分别取 2μm、50μm、200μm，随着作用长度的增加，输出脉冲变窄依次为1.1nm、1.6nm、2.8nm。该方法的提出取代了传统的 D 型光纤或者锥形光纤增加碳纳米管器件的相互作用长度。

2011 年，Amos Martinez 和 Shinji Yamashita 等人报道基于碳纳米管被动锁模光纤激光器采用法布里F—P腔重复频率高达4.24GHz、9.63GHz和19.45GHz。

2012 年，提出并论证采用碳纳米管聚乙烯醇薄膜掺铒被动锁模光纤激光器输出孤子脉冲,对应十次谐波重复频率可达 245MHz，输出功率 12mw，输出能量 25~56nj。

2013 年，F. Ahmad 等人报道了一种结构简单紧凑，成本较低，使用单壁碳纳米管聚环氧乙烷复合体制成的可饱和吸收体被动锁模掺铒光纤激光器，可以输出脉宽 0.81ps，重复频率 44MHz，平均功率为 92.4uw孤子脉冲序列。

国内情况：

2011 年，山东师范大学马宝民等人将单壁碳纳米管镀在石英衬底制备了单壁碳纳米的饱和吸收体，用 LD 泵浦获得激光脉冲输出，输出脉宽 840ps 和262ns，重复频率可达 34.61KHz 和 26.91KHz，谱宽为 21nm 和 25nm，中心波长为 2011nm 和 2017nm。

2012 年，中科院半导体所张玲等在光纤激光放大器中使用单壁碳纳米管作为饱和吸收体实现被动锁模，得到重复频率 82MHz，输出功率 20W，脉宽为15ps 的超短脉冲。

若基于被动锁模光纤激光器的理论模拟可以满足对其的实验研究，这将有助于实验的构建以及为实验后期调试提供理论研究。这样一个合理的理论模拟模型的建立可以在我们实验装置还未建立起来之前预见到我们所设计的光纤激光器的可能现象，为我们提供了一个计算工具来支持、预测和验证实验结果，因此对被动锁模光纤激光器的理论特性的研究很是必要。

关于被动锁模光纤激光器的理论研究，主要采取两种模型，一种是从非线性薛定谔方程出发，另一种是从 Hause 主方程出发。基于非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的研究，研究者们多采用前者，已有来自多个研究组的学者们对其进行，并在理论研究上有很多进展；基于可饱和吸收体被动锁模光纤激光器的理论模拟多采用后者，而关于后者的理论研究进展报道很少。本章将分别从两个方程出发对被动锁模光纤激光器的特性进行研究。

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