高損傷閾值可飽和吸收體鎖模脈沖光纖激光器的研究進展*

崔文文 邢笑偉 肖悅嘉 劉文軍

(北京郵電大學理學院,信息光子與光通信國家重點實驗室,北京 100876)

光纖激光器作為推動各領域發展的基礎硬件,在軌道交通、光纖通信、新材料制造、動力電池加工、軍事國防和醫療等領域都有廣泛的應用價值.光纖激光器被動鎖模技術的核心器件是可飽和吸收體,它對光纖激光器實現高能量、窄脈寬、大功率的激光輸出起決定性作用.依托傳統材料和傳統結構的可飽和吸收體,由于無散熱機制,光作用到材料上的光斑大小與光纖出射直徑幾乎相同,容易超過可飽和吸收體的損傷閾值從而造成損壞.因此,調整可飽和吸收體制備工藝和結構,對于提高可飽和吸收體的損傷閾值,實現性能優良、穩定性高的脈沖激光具有重要意義.本文綜述了高損傷閾值可飽和吸收體國內外研究現狀,指出了高損傷閾值可飽和吸收體可能的發展方向.

1 引言

超快激光技術相比傳統脈沖和連續激光技術具有高功率、窄脈寬、高精度的獨特優勢[1?5].近年來,超快光纖激光器在通信、軍事、醫療以及工業制造等諸多領域內均獲得了大規模的應用[6,7].超快光纖激光器結合了超快技術與光纖激光技術的優勢,實現了脈沖光與材料之間的快速相互作用,電子吸收與運動方式在瞬間注入作用區的高能量密度下發生改變,快速的相互作用降低了能量轉移、轉化和熱擴散[8],因此,超快光纖激光器能夠實現高能量大功率的鎖模脈沖激光輸出.然而,高能量的注入對材料的損傷閾值提出了更高的要求.

鎖模技術的出現開辟了超快激光的時代.早在1990年,改進后的被動鎖模光纖激光器實現了飛秒量級的鎖模脈沖輸出[9].鎖模技術主要分為主動鎖模技術與被動鎖模技術.主動鎖模技術利用電光、聲光調制器通過同步調制頻率與縱模間隔頻率來實現對脈沖振幅的調制,從而達到鎖模的目的,由于其重復頻率可調諧,可與外部電脈沖信號合成,易于獲得高重頻光脈沖序列,被廣泛應用于光纖通信領域.但主動鎖模器件引入了周期性的損耗,脈寬僅能達到皮秒量級.因此,被動鎖模成為產生飛秒激光的首選方案.

被動鎖模技術一般包括兩種:基于真實材料的可飽和吸收體(saturable absorber,SA)與等效SA的結構.利用這兩種不同的SA實現對脈沖的窄化,避免了光學調制器的引入,簡化了光纖激光器,使得鎖模激光狀態更穩定.然而,由于高能量激光與材料的快速相互作用,容易造成鎖模器件的損壞.因此,通過對SA損傷機制的研究,制備不同特性的高損傷閾值SA對光纖激光器被動鎖模的發展具有重要意義.對于SA,最常用的結構為半導體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror,SESAM).1990年,Keller等[10]就對其可飽和吸收效應進行了研究,SESAM目前是商業和科研領域較成熟的鎖模器件,但由于其可飽和吸收帶寬窄等缺點,研究人員不斷尋找能夠進行等效替代的新型材料.以石墨烯、碳納米管、過渡金屬二鹵化物[11]、鈣鈦礦薄膜、拓撲材料[12]等為代表的SA均取得了較好的鎖模效果,但制備的SA器件的低損傷閾值限制了其應用,且它的鎖模能量與等效SA結構相比普遍較低.因此,對于光纖激光器SA的優化方向一方面是探索高損傷閾值的SA,另一方面是從等效SA入手,對于其脈沖偏振過程進行可控調制.

2 高損傷閾值SA的全光纖激光器

2.1 高損傷閾值SA的制備方法

目前,高損傷閾值SA作為光纖激光器被動鎖模技術中的核心器件,具有損傷閾值高、能實現更高功率和更大能量的激光輸出的特點.基于材料的高損傷閾值SA主要利用的是材料本身與光強相關的非線性效應.早在20世紀70年代,SA已被用于被動鎖模中,當入射光脈沖照射到SA表面時,載流子從基態躍遷到激發態,在激發態下,基態離子逐漸被耗盡,激發態離子達到飽和,此時吸收達到了飽和[13],隨后激發態離子伴隨熱穩定過程回到基態,發出相應光脈沖.脈沖光在經過SA時,由于SA對光強的選擇透過性,使得高強度部分的光通過而低強度的光被濾除,實現窄化光脈沖的作用.

激光在與材料短時間相互作用的過程中,容易出現由于SA損傷閾值低導致鎖模器件損壞的現象,而通過制備不同特性的高損傷閾值SA可解決這一問題.以二維材料為代表的SA因其高損傷閾值特性進入研究者的視野.傳統二維材料制備可由層狀材料剝離獲得,由于其只有單原子層厚度或少數原子層厚度,決定了電子只能從二維平面上運動,也因此奠定了其優異的物理性質.隨著材料層數的減少,材料的能帶結構及載流子遷移率都會發生相應的改變,二維材料的原子結構將直接影響材料的線性和非線性光學性能.

目前獲得單層或少層二維材料的方法有機械剝離法(mechanical exfoliation,ME)[14]、化學氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD)[15]、脈沖激光沉積(pulsed laser deposition,PLD)[16]、磁控濺射法(magnetron sputtering,MS)[17]和分子束外沿法(molecular beam epitaxy,MBE)[18]等.迄今為止使用最廣泛的方法是ME和CVD.ME的材料通常具有良好的性能,通過ME得到的單層石墨烯電子遷移率較高.然而,ME的方法不適于調控材料的面積和厚度,無法批量生產.但CVD可以簡便地大面積生產二維材料薄膜,較多研究團隊利用CVD方法制備了單一材料高損傷閾值的SA,并實現了高功率、窄脈寬的激光輸出.為了結合多種二維材料的優異光學特性,規避材料帶隙或能帶結構差異巨大帶來的缺點,根據需要定制個性化器件,較多研究團隊進行了異質結材料的研究.異質結構的提出也有利于實現高損傷閾值SA的可控制備.2018年,Liu等[19]采用MS技術制備了MoS2-Sb2Te3-MoS2異質結,實現了脈寬286 fs的高損傷閾值、高功率、大調制深度、具有良好穩定性的脈沖激光輸出.

除了傳統材料制備方法外,有關材料制備中的溶膠-凝膠法因分子水平均勻性較好而引起關注.2019 年,Chen等[20]采用溶膠-凝膠方法制備固態氧化石墨烯—SiO2SA,其光學損傷閾值高達50.69 GW/cm2,實現了脈寬582 fs、最大輸出功率17.58 mW的脈沖激光.2020 年,Chen 等[21]同樣將溶膠-凝膠方法用于CNT-SiO2測得其損傷閾值為52.05 GW/cm2,并實現了456 fs的孤子鎖模脈沖激光輸出.通過溶膠-凝膠法制備出的SA很明顯具備高損傷閾值的特性,也將是未來光纖激光器SA提高損傷閾值的方法之一.

除了溶膠-凝膠法制備高損傷閾值SA之外,關于無機物襯底的選擇也影響著SA的特性.2021年,Liu等[22]通過以氟云母(fluormica,FM)為襯底采用MS技術制備氮化硼的方法實現了高損傷閾值SA的制備,利用FM良好散熱性能和較低插入損耗的特點輸出了脈寬237 fs、平均輸出功率35.39 mW的脈沖激光.2015年,Li等[23]通過制備硫化鎢/FM SA發現其損傷閾值高達406 MW/cm2,是硫化鎢/聚合物吸收體的2倍.2020年,Liu等[24]也通過制備Mo2C-FM SA實現了激光脈沖脈寬和平均輸出功率分別為313 fs和64.74 mW的輸出,并在近紅外波段傳輸率達到90%.因此,FM作為SA的襯底不僅極大地提高了SA的損傷閾值,而且對激光脈沖的各項指標優化具有重要意義.像無機物SiO2除了作為提高損傷閾值的襯底以外,對于光纖激光器的非線性效應也具有重要的作用,2020年,Zhang等[25]報道了一種具有多層放大自發輻射(ASE)吸收膜的連續波端面泵浦Nd:YVη4激光器,其中的涂層采用的是SiO2-Ti-SiO2-Ti-Au五層結構,實驗測試顯示出良好的ASE控制性能.無論是SiO2還是FM,通過選取不同的耐高溫無機物作為SA襯底的方法在目前看來可有效提高SA的損傷閾值,對光纖激光器的發展起著關鍵基礎性作用.

無機物襯底與溶膠凝膠法可以有效提高SA的損傷閾值,這一結論在2021年得到了進一步的認證.Zhang等[26]將無機物二氧化鉿與溶膠凝膠技術進行了結合,研究了其在高溫退火情況下的激光損傷閾值表現,如圖1所示,損傷閾值在353 K下退火后達到了31.6 J/cm2,即使573 K下退火后,損傷閾值也可以達到21.7 J/cm2.這些數據均表明薄膜具有很強的抗激光損傷能力,并且在高溫中可保持較好的穩定性.

圖1 HfO2薄膜的損傷點深度圖 (a) 353 K,39.2 J/cm2;(b) 423 K,38.6 J/cm2;(c) 503 K,36.6 J/cm2;(d) 573 K,31.7 J/cm2[26]Fig.1.Damage spot depth map of the HfO2 films:(a) 353 K,39.2 J/cm2;(b) 423 K,38.6 J/cm2;(c) 503 K,36.6 J/cm2;(d) 573 K,31.7 J/cm2[26].

2.2 高損傷閾值SA的插入腔結構

不同材料作為SA材料實現被動鎖模的過程中,與材料自身物理特性相比,SA插入腔的結構對于實現鎖模具有重要意義,不同插入腔的結構直接決定了不同SA的損傷閾值.通常實現具有可飽和吸收特性的SA有以下方法:“三明治”透射式結構、拉錐光纖式、D型光纖式、光子晶體光纖式等.SA插入腔結構如圖2所示.

圖2 不同SA插入結構的環形腔示意圖Fig.2.Schematic diagram of annular cavity with different saturable absorber insertion structures.

“三明治”透射式結構是指材料、法蘭、光纖跳線之間形成的結構,材料有兩種形式與光纖跳線結合:一種是將生成的材料薄膜夾在法蘭中間,另一種是利用光沉積法在光誘導下使材料溶液沉積在跳線表面.這兩種形成“三明治”透射式結構的方法制作簡單、成本低、可重復性高,但其損傷閾值低,通過采取不同的材料制備方法可進一步提高“三明治”結構SA的損傷閾值.2013年,Liu等[27]采用在光纖端面周圍沉積環形CNT的方法,用于倏逝場相互作用,這種CNT-SA將損傷閾值提高了130%,實現了脈寬680 fs、平均功率30 mW的鎖模脈沖激光輸出.2019年,Han等[28]通過物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)方法以In2Se3薄片作為SA實現了雙端面泵浦高功率被動鎖模激光器,PVD-In2Se3SA表現出高于24 mJ/cm2的損傷閾值.同年,Ma等[29]采用CVD方法制備了玻璃-材料-玻璃“三明治”結構,制備了損傷閾值大于26 mJ/cm2的MoS2SA,實現了大功率、高能量鎖模光纖激光器.2021年,Wang等[30]采用溶膠-凝膠方法,將TI-SiO2以“三明治”結構插入摻鉺光纖激光器,基于溶膠-凝膠玻璃的SA比基于有機薄膜的SA在穩定性方面有了明顯改進,其損傷閾值提高了近1個數量級.“三明治”結構的SA由于非線性作用區域較短并且沉積方法存在差異使激光器更易運轉在調Q狀態,不利于產生鎖模超短脈沖.對調Q激光器而言,高損傷閾值SA的選取對于實現可調諧脈沖輸出也是研究者關注的重點之一.2021 年,Salam等[31]基于Alq3在調Q光纖激光器中采用三明治結構,實現了高損傷閾值的多波長可調諧脈沖輸出,其覆蓋波長范圍為1520—1563.5 nm,信噪比達53 dB.

拉錐光纖和D型光纖是由于光纖制作工藝不同而形成的不同光纖結構,通過利用沉積在光纖錐區材料的光倏逝波效應,增加了光纖非線性作用面積,具有易于散熱、可輸出高功率激光脈沖的特點,并且少部分光與材料在倏逝場相互作用降低了鎖模器件的調制深度,也存在光纖制作難度大、材料沉積不均勻等缺點,但是在很大程度上克服了SA損傷閾值低的問題,也是目前研究者提高SA損傷閾值的方法之一.以拉錐光纖為代表的可飽和吸收體技術較為成熟,2019年,Wu等[32]通過在拉錐光纖上沉積MXene-Ti3C2Tx材料制備了簡單緊湊的全光纖摻鉺孤子和色散管理飛秒孤子激光器,在孤子振蕩工作區實現了597.8 fs,弱正常色散腔104 fs的脈沖激光輸出.更為新穎的D型光纖,不僅增大了與材料間的接觸面積,也表現出了很好的性能指標.2008年,Song等[33]利用D型光纖倏逝場與CNT結合,實現了6.5 nJ的皮秒脈沖輸出,該鎖模器件可承受27.7 dBm的功率.2020年,Nizamani等[34]采用拋光輪技術制備D型光纖,并將銦錫氧化物與D型光纖結合,實現了穩定的暗脈沖鎖模激光器.為了提高SA的損傷閾值,從而獲得高功率高能量脈沖輸出,研究人員還將D形光纖與溶膠-凝膠法結合.2021年,Liu 等[35]采用磁控濺射技術與溶膠-凝膠技術相結合,將Mo2C埋在溶膠凝膠制備的二氧化硅與D型光纖之間,該方法有效解決了材料老化、脫落問題,提高了激光器的損傷閾值和穩定性,實現了脈寬199 fs、最大脈沖能量430.47 nJ、輸出功率54.13 mW 的鎖模脈沖輸出.

光子晶體光纖內鑲嵌結構是指將材料注入光子晶體光纖內部,有利于增加光纖內部與材料的非線性作用面積,但因其制備工藝難度大、插入損耗大、容易在光子晶體光纖孔隙部分產生模式失真等缺點限制了光子晶體光纖的廣泛應用.2004年,Michaille等[36]對比了8 μm芯徑的實芯光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF) 和空芯光子帶隙光纖(photonic bandgap fiber,PBG)的激光損傷閾值,發現纖芯為8 μm的PBG損傷閾值發生在脈沖能量近1 mJ 時,其損傷閾值是8 μm的PCF的4倍,因此選取合適的PBG對于進一步提高SA的損傷閾值具有重要意義,PCF在提高SA損傷閾值的研究領域內還有較大研究潛力.

目前來看,“三明治”透射式結構的損傷閾值相較于錐形光纖較低,但因制作成本低、制作流程簡便的特點依然被廣泛使用.“三明治”透射式結構可以通過改變材料襯底和材料的制備工藝入手提高激光器損傷閾值.錐形光纖中的D型光纖中增加了非線性相互作用面積,損傷閾值較高,但是D型光纖存在制備難度大的問題.因此,拉錐光纖是目前較為常用且方便的方法,但是對于錐區長度的精準控制也是未來要關注的方向.而光子晶體光纖因為要將材料注入光纖內部,制備困難,并不是一種非常理想的插入腔結構,但因其大接觸面積的特點在其他非線性效應的研究中依然有著不可替代的作用.所以,通過插入腔結構優化SA的損傷閾值更為簡便的方法應從兩方面入手:一是“三明治結構”優化襯底和材料工藝,二是通過拉錐光纖探索優化方法.

3 高損傷閾值等效SA的光纖激光器

等效SA主要利用了光纖的非線性效應和光學器件之間的相互作用,包括非線性偏振旋轉[37](nonlinear polarization evolution,NPE)、非線性光環形鏡[38]和非線性多模干涉[39]等.由于等效SA自身結構特性使等效SA具備高損傷閾值的特點,為了利用好這一特性并進一步提高損傷閾值,研究人員對等效SA進行了廣泛研究.

3.1 非線性偏振旋轉

被動鎖模技術中,NPE是附加脈沖鎖模(additive pulse mode locking,APM)技術的一種,即兩束信號光相干附加而實現鎖模.NPE利用的是光纖中的克爾效應,通過調節波片來調節光的偏振態,不同偏振態的激光會產生不同的非線性相移,利用這種非線性相移差實現可飽和吸收效應進而鎖模.NPE鎖模結構如圖3所示,由偏振器件、波片和雙折射光纖構成[40].

圖3 NPE鎖模偏振態示意圖Fig.3.Schematic diagram of nonlinear polarization evolution mode-locked polarization state.

在空間振蕩腔中,當入射光脈沖經過第一個偏振器后,光脈沖的偏振態會轉換為線偏振態,再通過1/4波片后偏振態由線偏振態轉換為橢圓偏振態.橢圓偏振態的光脈沖在雙折射光纖處累積隨光強逐漸增大的非線性相移,光脈沖中心高光強處經歷非線性相移后偏振態會發生相應變化,而光脈沖邊翼處由于光強較低,幾乎沒有經歷非線性相移,因此偏振態沒有發生改變.當光脈沖再次通過1/4波片和第二個偏振器后,將光強相關的偏振態轉換為與光強相關的透過率,實現調整兩個波片間的相對角度達到調節相對透過率的效果.NPE鎖模脈寬可達飛秒量級,其脈沖寬度可接近增益介質帶寬極限,但存在受環境影響較大、損傷閾值有待進一步提高的問題.

目前,為解決NPE鎖模環境不穩定的問題,近幾年出現了兩種解決方案.一種是采用全保偏NPE鎖模,另一種是自動控制NPE鎖模.全保偏NPE鎖模的基本思想是采用全保偏光纖替換激光腔中的標準單模光纖,通過交叉熔接方法補償了保偏光纖的雙折射效應，解決了脈沖走離問題,從而實現穩定鎖模[41].2017年,Szczepanek等[42]通過熔接不同角度的多段保偏光纖達到了全保偏光纖NPE鎖模的效果.自動控制NPE鎖模的基本思想是通過算法與自動控制結合,通過監測腔內偏振態的變化情況即時反饋到自動偏振控制器件,根據相應算法進行自動調節.近幾年,提出的自動控制鎖模NPE受到廣泛關注.自動控制鎖模NPE結構是通過調節外部電壓,利用電壓對液晶可變器的控制作用,實現激光器的運轉[43].通過演化算法[44]、類人算法[45]、深度學習算法[46]等尋找鎖模狀態,實現自動控制鎖模.自動控制鎖模利用色散傅里葉變換技術快速分析光譜,并與相應算法結合直接觀測脈沖切換的過渡態[47].通過以上兩種方案,可以進一步解決NPE易受環境影響的問題.

為提高NPE損傷閾值,基于SA發展過程中的優勢和劣勢提出了一種實現SA被動鎖模的新方法—混合鎖模.基于NPE鎖模技術的光纖激光器結構簡單、輸出效率較高、偏振態可控,但也存在鎖模閾值高、難以實現自鎖模的缺點,而通過選取彌補這一缺點的SA材料可以實現集成后SA損傷閾值的提高和更優的鎖模激光輸出.2017年,Liu等[48]利用WS2高損傷閾值的特性,提出了將WS2SA與NPE結合的新型混合鎖模結構,如圖4所示,實現了67 fs的超短鎖模脈沖輸出，脈沖光譜3 dB帶寬達114 nm.

圖4 拉錐光纖WS2 SA被動鎖模摻鉺光纖激光器的實驗結果 (a)脈沖光譜,中心波長1540 nm的3 dB帶寬為114 nm;(b)脈沖寬度為67 fs[48]Fig.4.Experimental results of the passively mode-locked EDF laser with the fiber-taper WS2 SA:(a) Optical spectrum of the generated pulses.The 3 dB spectral width is 114 nm at 1540 nm.(b) Intensity autocorrelation trace with 67 fs pulse duration[48].

混合鎖模的結構原理圖如圖5所示.利用混合鎖模結構的高損傷閾值特性實現飛秒量級脈沖已經被研究人員廣泛關注.2017年,Chernysheva等[49]通過雙壁CNTs和NPE實現了鎖模摻銩光纖激光器中多孤子復合物的產生,利用雙壁CNTs的高損傷閾值特性,產生了560 fs雙孤子束縛態孤子脈沖.2020年,Ma 等[50]利用V2CTx納米片高損傷閾值特性將其作為新型MXene制備SA,通過使用V2CTx納米片與NPE實現混合被動鎖模,產生72 fs的脈寬、71 dB的信噪比脈沖輸出,實現了NPE穩定鎖模.同年,Pang等[51]采用零維材料Fe3O4納米顆粒與NPE結合作為快飽和吸收體實現了摻鉺光纖激光器自啟動混合鎖模,產生了361 fs的鎖模激光.但是由于PVA是一種有機材料,在高功率激光照射下很容易損壞[52],其損傷閾值低的特點限制了激光器的發展.因此,為解決Fe3O4/PVA的激光損傷閾值低的特點,對于襯底材料的選取將是接下來的優化方向.混合鎖模結構可以充分利用等效SA結構高損傷閾值的特點,結合具有大調制深度的材料,從而實現綜合性能優異的脈沖激光輸出.

圖5 混合鎖模結構示意圖Fig.5.Schematic diagram of hybrid mode locking structure.

3.2 非線性光環形鏡

非線性光環形鏡(nonlinear optical loop mirror/nonlinear amplifying loop mirror,NOLM/NALM)是一種性能優異的等效SA結構,NOLM和NALM具有響應時間短、損傷閾值高、可實現全保偏等優點,是光纖激光器中具有發展潛力的鎖模器件之一.NOLM鎖模激光器是通過光脈沖在Sagnac環中運行時產生的非線性相移差來實現鎖模,結構如圖6所示.當輸入脈沖經過分光比為C:(1?C) 的耦合器后被分為Pc1和Pc2兩束強度不同的光脈沖,兩束光脈沖在經過環形腔匯聚到耦合器輸出端時累積了不同大小的非線性相移.此時,NOLM結構具備了SA的作用,對不同光強具有選擇通過性,耦合器對高光強的脈沖透光率更高,低光強脈沖被濾除,因此可等效為SA[53].

圖6 NOLM可飽和吸收原理圖Fig.6.Schematic diagram of nonlinear optical loop mirror saturable absorption.

耦合器不同的分光比配置會影響脈沖能量大小,非線性環形鏡的非線性相移來源于光脈沖光強大小的差異.若非線性相移來自增益光纖的放大作用,則稱作非線性放大鏡.若非線性相移來源于增益光纖的吸收作用,則稱作非線性光吸收鏡.基于NOLM的鎖模技術對激光脈沖的偏振態非常敏感,但NOLM具有高損傷閾值的優點,其受環境影響小、滿足多波段鎖模等優點被廣泛研究.2012年,Aguergaray等[54]對NOLM全保偏鎖模結構進行了研究,實現了10 MHz重復頻率、344 fs脈寬、0.3 nJ單脈沖能量的鎖模激光輸出.次年,該團隊通過優化腔內參數實現了10 MHz重復頻率、120 fs脈寬、4.2 nJ單脈沖能量的脈沖輸出,脈沖寬度明顯被窄化,實現了單脈沖能量14倍的提升,并提出了增加單模光纖長度、降低重復頻率以實現高能量激光輸出的方案[55].2018年,Yu等[56]通過優化環形腔主環路的單模光纖長度,實現了93 fs脈寬、10 nJ單脈沖能量、6 MHz重復頻率的鎖模激光輸出.2020年,Deng等[57]通過搭載NALM環,優化泵浦參數,實現了191 mW的平均輸出功率、22 nJ的單脈沖能量、195 fs的超窄脈寬、8.7 MHz重復頻率的鎖模激光輸出.2021年,Deng等[58]基于NALM鎖模全正色散激光器研究了脈沖孤子起振的非線性動力學方程,發現并記錄了脈沖孤子的建立過程.

3.3 非線性多模干涉

漸變多模光纖(graded index multimode fiber,GIMF)由于其本身的非線性效應、時空光孤子以及非線性多模干涉效應等引起研究人員的關注.2013年,Nazemosadat 和Mafi[59]對GIMF中的非線性多模干涉效應進行了研究,并采用單模光纖-漸變多模光纖-單模光纖(SMF-GIMF-SMF)的結構,指出該結構可用于非線性調制、光信號處理、激光器SA.其結構如圖7所示.

圖7 非線性多模干涉可飽和吸收原理圖Fig.7.Schematic diagram of saturable absorption of nonlinear multimode interference.

當入射光從標準單模光纖(single mode fiber,SMF)傳輸到GIMF時,因為光纖端面處發生模式耦合激發出高階模,GIMF中由于不同模式強度的光會受到不同的SPM(self-phase modulation),XPM(cross-phase modulation)調制從而發生多模干涉.當激光通過該器件時能夠發生穩定的NL-MMI(nonlinear multimode interference),使高強度的光進入SMF,并在激光腔中振蕩形成脈沖輸出,而低強度的光和沒有發生多模干涉效應的光從SMF的包層中滲透出去.NL-MMI的存在使SMF-GIMFSMF結構具有可飽和吸收效應,對光強具有選擇透過性,可以使發生NL-MMI的強光透過,弱光被濾除.到目前為止,GIMF長度的調控限制了非線性多模干涉發展,但通過匹配不同光纖引發非線性多模干涉效應可以觀察到多種孤子分子動力學現象.2018年,Tegin等[60]采用SMF-GIMF-SMF的結構在全正色散光纖鎖模光纖激光器中實現了經腔外壓縮后脈寬276 fs、重復頻率44.25 MHz的鎖模脈沖輸出.同年,Zhao等[61]通過實驗觀察基于非線性多模干涉的飽和吸收體束縛孤子,利用階躍折射光纖SIMF(step-index multimode fiber)和漸變折射光纖作為SA觀察到同相和反相雙孤子束縛態.2021 年,Chen等[62]基于NL-MMI效應給出了金茲堡-朗道方程的激光物理模擬方法,揭示了從暗脈沖到亮脈沖的轉換以及諧波脈沖產生的基本原理,在摻鉺光纖激光器中實現了暗脈沖到單亮脈沖和諧波亮脈沖的過渡.同年,Gan等[63]通過制備具有高損傷閾值的GIMF-SIMF-GIMF SA,將SA插入一個具有負色散的摻鉺光纖激光腔中,產生了脈寬540 fs的孤子,并解釋了連續可調的高階孤子的產生.通過近些年來的實驗研究可以發現,以NL-MMI效應為代表的等效SA與激光脈沖質量以及孤子動力學現象都具有密不可分的聯系[64],從根本上提高等效SA的損傷閾值將有助于光纖激光相關領域的全面推進.

4 結論

光纖激光器在國家基礎設施的各個領域都起到了重要作用,SA作為光纖激光器核心器件,其性能指標的優化對于激光器發展具有重大意義.本文重點介紹了高損傷閾值SA國內外研究現狀.新技術的產生和原有技術的優化都對實現超快激光起到了非常大的推動作用,光纖激光器損傷閾值的不斷優化將進一步拓寬其應用范圍.激光器更窄的脈沖寬度、更高的輸出功率、更高的重復頻率、脈沖形狀的優化、脈沖波長范圍的拓展都依賴于SA損傷閾值的提高,未來高損傷閾值SA將是研究人員關注的重點領域.同時,光纖激光器的全光纖化、小型化、集成化和全國產化解決“卡脖子”難題也是未來的發展方向,多元化的高損傷閾值SA結構將為光纖激光器的發展提供更多的技術支撐.