飞秒光纤激光器和飞秒钛宝石激光器几乎是同时发展起来的, 甚至比钛宝石激光器还要早[ 1] 。钛宝石激光器输出脉宽经过短短几年的时间, 就从100 fs 左右迅速缩短到5 f s 以下[ 2, 3] ; 如果不追求短脉冲, 钛宝石激光器的*优势是具有非常宽的可调谐谱。而光纤激光器经过了近20 年漫长的时间, 其脉宽还在几十飞秒徘徊。随着飞秒激光器的应用不断扩展, 钛宝石激光器本身的高价格( 主要是其抽运激光器) 、低稳定性和大体积等弊病日益显著, 而光纤激光器以其低成本、高稳定性和小体积等优点逐渐被人们重视。但是和钛宝石激光器相比, 光纤激光器有两个主要问题: 1) 脉宽还不能短到与钛宝石激光器相比, 2) 输出脉冲能量还不够高。其实对于大多数应用来说,脉冲宽度只要求在100 fs 左右。而对脉冲能量, 对于许多应用, 例如生物光学成像, 也只需要几个纳焦量级。对于需要高能量的场合, 光纤激光的放大也很方便。因此, 飞秒光纤激光器还是大有可为的。
1. 1飞秒光纤激光技术发展历史回顾
飞秒光纤激光技术, 按照其脉冲成型原理, 经历了这样几个发展阶段:
1) 孤子型[ 1] : 脉冲的形成依赖于自相位调制和负色散的平衡。脉冲的波形为双曲正割型;
2) 色散控制型[ 4] : 腔内有正负两种色散, 色散基本平衡, 脉冲经过展宽压缩过程。脉冲形状可用高斯型模拟;
3) 自相似型[ 5] : 腔内正色散更多一些, 脉冲的光谱呈抛物线型;
4) 全正色散型[ 6] : 腔内无色散补偿。脉冲的缩短靠光谱滤波器滤掉脉冲两端的啁啾波长分量。脉冲光谱近似方波形状。
初期孤子型锁模激光器的输出能量都在纳焦以下。这主要是因为受孤子锁模中的面积定理的限制, 当抽运功率的加大超过一定程度, 脉冲就会分裂为高阶孤子。为了提高输出脉冲的能量, 麻省理工学院的研究者提出了色散控制型锁模的概念[ 4] , 即在腔内加入正色散光纤, 让脉冲在腔内有一个展宽/放大压缩的过程。这样输出的脉冲不仅能量高, 而且脉冲短。但是, 脉冲能量仍然在纳焦徘徊。为了提高脉冲能量, 康奈尔大学的研究者接过了麻省理工学院的旗帜, 提出了光纤激光器中自相似型[ 5] 和全正色散锁模[ 6] 的概念。自相似型锁模光纤激光器中, 净色散不仅为正, 而且数值也不小, 因此脉冲在高能量下不至于分裂。更有甚者, 特别是在1 um 波长的光纤激光器中, 腔内可以没有任何色散补偿元件, 全部为普通单模正色散光纤。此时输出的脉冲能量可达几十纳焦[ 7] 。除了脉宽和能量, 不断增加的新应用也要求光纤激光器提高脉冲的重复频率。普通的环形腔飞秒光纤激光器的重复频率多在40~ 50 MHz。作为光学频率梳的光源, 重复频率要求大于200 MHz, 以满足频率计数器的
分辨率要求。
更高重复频率光纤激光器的必要性在于其作为天文光学频率梳的光源, 要求频率间隔在20 GHz 以上[ 8] 。天文光学频率梳是天文光谱仪的定标源。这样高的重复频率不是光纤激光器的长处。固体激光器和半导体激光器做高重复频率比光纤激光器要容易得多。但是, 光纤激光器相对于固体激光器的优势是无水冷, 相对于半导体激光器的优势是脉冲短。弥补这个缺陷的通用做法是用法布里珀罗( F-P) 标准具将重复频率倍增到20 GHz 以上[ 9] 。而这同样要求重复频率越高越好, 因为F- P 标准具的有限线宽也会使激光器源的边模透过, 导致光谱定标误差产生[ 9] 。高重复频率即大频率间隔可减少边模的透过。
1. 2飞秒光纤激光技术主要研究方向
当前国际上飞秒光纤激光器的主要研究方向是:
1) 超低重复频率、直接从光纤激光振荡器中获得高脉冲能量输出。飞秒光纤激光器的应用扩展很大程度上取决于单脉冲能量的大小。为了简化系统, 直接从光纤激光振荡器中输出几十甚至几百纳焦的脉冲能量。这样不但可以直接应用于成像和加工领域, 继续放大也会减轻放大器的级数, 并缓解放大后脉冲压缩的压力。用增加腔长、降低脉冲重复频率的是的技术。需要解决的关键科学问题是在长腔下, 色散、非线性和脉宽的关系。在长光纤腔中, 特别是在全正色散的情况下, 锁模本身虽然不困难, 但脉冲很难压缩。降低光纤色散, 如果不降低光纤的非线性, 仍然会有脉冲不能被压缩的问题; 如果减少腔内光谱滤波器的带宽, 可以使非线性减少并使脉冲可压缩, 但是窄带宽会使最后压缩的脉冲变宽。因此需要很好地研究解决;
2) 超高重复频率、超低噪声, 以备光学频率梳和微波光子学的应用。超高重复频率和超低噪声是光纤激光器在超精密光谱学和微波光子学应用的需要。至兆赫兹量级的超高重复频率可以为高精度光谱仪定标、也可以作为新的微波源。这就需要大大降低激光器的噪声。这方面的研究集中在超高重复频率光纤激光器的锁模机理、色散控制与噪声的关系、高稳定度参考源等方面;
3) 进一步缩短脉冲。小于20 f s 的脉冲一直是光纤激光器与钛宝石激光器竞争的坎。一方面由于光纤激光器增益介质带宽的限制, 不支持小于20 fs的脉冲; 另一方面, 由于光纤中的色散补偿问题, 脉冲也很难做到变换受限脉冲。但是, 最近的模拟和实验表明, 在短光纤情况下光纤激光器中非线性和色散的相互作用, 有可能使脉冲宽度超越激光增益带宽, 最终小于20 f s;
4) 新型锁模技术的探索。例如碳纳米管、石墨烯等。虽然已经有很多文献发表, 但是真正实用的器件还很少;
5) 波长扩展。常规的锁模光纤激光器集中在掺镱和掺铒光纤上, 波长限定为1 um 和1. 5 um。很多应用需要其他波长, 例如920, 1300 和2000 nm。因此这些波长的飞秒光纤激光器成为新的研究方向。国际上主要的飞秒光纤激光器研究团队是麻省理工学院( MIT) 和康奈尔大学, 他们起着方向的作用。其他研究团队例如Max-Planck 研究所目标是高重复频率光纤频率梳[ 10] , 东京大学[ 11] 、剑桥大学[ 12, 13] 和亚利桑那大学[ 14] 侧重于碳纳米管和石墨烯锁模; 席勒大学偏向高功率光子晶体光纤激光器等。新加坡南洋理工学院也曾创造过最短脉冲的世界纪录 。
国内的飞秒光纤激光器的研究主要是跟踪国外的发展, 尚缺乏的理论和技术。
西安光学精密机械研究所在国内开展飞秒光纤激光器和放大器的研究, 并实现了产品化。天津大学主攻大模场面积高平均功率光子晶体色散控制锁模和全正色散锁模光纤激光器, 北京大学的研究重点是高重复频率光纤激光器和光纤频率梳。国防科学技术大学、上海光学精密机械研究所和湖南大学等很多大学和研究所也有各种飞秒光纤激光器的研究 。
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