基于光纤激光器产生高次谐波锁模脉冲的研究现状

基于光纤激光器产生高次谐波锁模脉冲的研究现状

钟艺峰

广东工业大学 信息与工程学院 广东广州 510006

摘要：本文简单介绍了高次谐波锁模脉冲的形成机理，对基于光纤激光器产生高次谐波锁模脉冲的研究现状完成了调研。整理了世界各地研究团队的成果，展示了2000年以后与该研究方向相关的研究现状，发现人们得到了最高634次谐波锁模脉冲，对应的重复频率为10GHz。其中研究人员的光纤激光器所使用的掺杂增益介质以铒、镱为主，锁模方式主要为主动类型锁模以及NPR被动类型锁模。本文为基于光纤激光器产生高次谐波锁模脉冲的相关研究提供了一个参考。

关键词：光学频率梳；锁模光纤激光器；高次谐波锁模；研究现状

0 引言

飞秒光学频率梳诞生以来，在精密测距方面得到了重要的应用。因其具有脉宽极短、峰值功率高、稳定性高等优点，为高速、高精度测量距离技术提供了有效的技术手段。随着科技的发展，国防军事测量、测绘、工业加工等领域对测距精度要求越来越高，人们逐渐意识到纳米量级测距的重要性，飞秒激光也越来越受人重视。飞秒光梳是一种脉冲持续时间为飞秒量级的脉冲光。在频率域上，表现为间隔相等，具有确定相位关系的谱线。自由运转激光器输出的个纵模是不相干的，其相位以及振幅都不同且一直在变化。来自泵浦源的能量抖动、谐振腔长受温度影响发生形变等因素，都会引入额外的相位噪声。锁模技术可以使各个纵模按确定的相位关系进行分布，使激光器输出峰值功率很高的超短脉冲。重复频率与载波包络偏移频率是光梳的两个重要自由度，前者代表输出脉冲在频域上相邻梳齿的间隔，后者代表脉冲的包络峰值与载波峰值的差值。通过对重复频率以及载波包络偏移频率的锁定，可以得到更稳定的光梳系统。目前掺镱光纤激光器重复频率已经能做到1GHz，但这并不能满足一些尖端设备的需求，比如激光雷达系统的运作就需要几十GHz的高精度载波频率信号。谐振腔的长度有下限，通过缩短谐振腔的长度很难得到较高的基本重复频率。谐波锁模的方法，无需在腔内添加额外的元器件即可迅速提高光纤激光器重复频率，摆脱了腔长的限制，被人们广泛地研究。谈到光梳就不得不提到两位科学家Theodor W. Hansch 和John L. Hall。美国斯坦福大学的德国科学家T. Hänsch于1978年首先提出了“飞秒激光光学频率”这么一个概念，他觉得超短脉冲激光可以用来连接微波频率和光学频率。因为对光学频率梳技术作出的贡献，Theodor W. Hansch 和John L. Hall两位科学家获得了2005年的诺贝尔物理学奖。这足以说明两位科学家及其研究团队的研究成果，对人类来说有着多么重大的意义。

1 光纤激光器的介绍

光纤激光器有不少优点：体型小、稳定性好、效率高、输出功率高等。光纤激光器的稳定性受温度的影响相对较小，这得益于其表面积与体积之比非常大，具有良好的散热性。由于激光腔内大部分光在光纤里传播，是一种非常稳定的状态，这也意味着维修光纤激光器时，只需要调整一些镜子、波片、光栅对等仪器，相较于固体激光器维护起来更加方便。光纤激光器使用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质，掺杂离子的类别和浓度都对激光器的运转起到很大的影响。可掺杂的稀土元素有很多，如：镱、铒、铥、钕、钬等，它们的吸收与发射波长如图1所示。

图1 各种稀土元素的吸收与发射波长

这些稀土元素拥有很宽的光谱范围，因此光纤激光器发射波长的覆盖波段也很宽。在光纤激光器的方面，铒离子和镱离子是最常见的掺杂离子。重点介绍一下掺镱光纤激光器。在1961年，美国的 Snitzer 报道了世界上第一个稀土离子在玻璃中产生激光现象，并提出了光纤激光器方面的设想。起初，镱离子并没有在激光方面得到广泛的应用。1989年，英国的Hanna 研究小组首次报道了掺镱单模光纤激光器获得连续激光输出，其输出功率为4mW ，相对应的斜率效率为15%，同时实现了输出激光在1015-1140nm 范围内可调谐。尽管当时实验中光纤的吸收效率较低，但 Hanna 这一工作让人们认识到镱离子的独特优势。受限于浓度猝灭的影响，掺铒光纤激光器的最大输出功率只有几百瓦。与其相比，掺镱光纤激光器可以输出过千瓦的功率，在工业中得到广泛的应用。镱离子的能级结构比较简单，可以做成掺杂浓度很高的光纤，这有利于缩短光纤的长度，意味着可以得到更高的重复频率。

2 激光锁模技术的类型与原理

锁模技术可以产生超短脉冲，主要分为主动锁模与被动锁模。现在普遍研究的主动锁模光纤激光器一般有典型的基于调制器的锁模光纤激光器、有理数谐波锁模光纤激光器和注入型锁模光纤激光器。被动锁模激光器则主要分为非线性偏振旋转锁模（NPR），非线性光纤环路反射镜锁模、可饱和吸收体被动锁模等类型。以非常常见的NPR锁模为例，简单介绍一下锁模技术的原理。

线性旋转偏振锁模是一种与克尔效应有关的锁模机制，人们也称之为克尔型被动锁模。在其锁模过程中，自相位调制起到主要的作用，且伴随着时域内的幅度调制。当弱光和强光入射到光纤时，由于双折射效应，它们从光纤出射的椭圆偏振光与光纤的x轴的夹角是不同的。加入一些偏振控制器如半波片、四分之一波片使其透光的偏振方向与强光导致的偏振方向一致，可以起到一个类似于饱和吸收体的作用，从而将强光筛选出来，弱光则渐渐消失。图2是一个典型的非线性旋转偏振锁模的示意图^[1]。

图2 典型的非线性旋转偏振锁模示意图

3 高次谐波锁模脉冲的形成机理

当光纤激光器工作在负色散状态下, 锁模脉冲的特性与孤子脉冲特性类似，以这种典型的激光器为例，介绍高次谐波锁模的原理。增大泵浦功率, 腔内平均信号光功率会增大, 由于孤子峰值功率限制效应(peak-power-limitingeffect)^[2]，激光器输出的单脉冲能量并不会相应增大,导致腔内形成多个脉冲。孤子激光器中的脉冲运转个数N等于腔内能量除以孤子能量。N通常情况下不是一个整数，其中整数代表的成分为孤子成分，剩下的部分是非孤子成分。由于孤子成分与非孤子成分的相位不同，孤子之间会形成相互排斥的作用力。提高泵浦功率，调整偏振器件，改变孤子与非孤子之间的相位差，最终使脉冲以相同的幅度、间隔在激光器内运转，导致高阶谐波锁模光脉冲的形成^[3]。超模噪声常出现在谐波锁模现象中。在等于脉冲重复频率的带宽内，基频锁模脉冲只有一处噪声峰值，N次谐波锁模脉冲则会由于超模竞争的关系产生N个不同的噪声峰值。在这N个噪声峰值中，人们把中心频率处以外的噪声峰值称为超模噪声^[4]。在激光器输出脉冲的频谱图上，可观察到超模噪声的峰值。

4 基于光纤激光器产生高次谐波锁模脉冲的研究现状

Grudinin等科研人员于1993年首先在掺铒光纤激光器中观察到了被动谐波锁模现象^[5]。2000年以后，有不少研究团队基于光纤锁模激光器，获得了高次谐波锁模脉冲，其掺杂类型以掺镱和掺铒或者是铒镱共掺为主，脉冲形态以传统孤子或者耗散孤子的形式居多。下面是本人对基于光纤激光器产生高次谐波锁模现象的研究结果整理。

2003年，来自天津大学精密仪器与光电子工程学院重点实验室的科研团队，使用基于主动锁模的掺铒光纤激光器，得到了34MHz的基频锁模脉冲，以及脉冲宽度为37ps的最高72次谐波锁模脉冲（2.45GHz）^[6]。

2004年，纽约罗切斯特大学光学研究所的研究人员为主的科研团队，使用基于主动锁模的掺镱光纤激光器，得到了36.65MHz的基频锁模脉冲，以及最高281次谐波锁模脉冲（10GHz）。他们的激光器输出脉冲平均功率为38mW,脉冲宽度为2ps^[7]。

2006年，来自中国工程物理研究院的激光聚变研究中心的科研团队，使用基于NPR锁模的掺镱光纤激光器，得到了26.8MHz的基频锁模脉冲，以及的平均功率为100mW，脉冲宽度为22.8ps的最高4次谐波锁模脉冲（107.2MHz）^[8]。

2008年，来自西安光学精密力学研究所瞬态光学与光子学国家重点实验室的研究人员为主的科研团队，使用基于NPR锁模的掺铒光纤激光器，得到了10MHz的基频锁模脉冲，以及最高23次谐波锁模脉冲（230MHz)^[9]。

2011年，来自韩国Department of Physics, KAIST, Daejeon的研究人员为主的科研团队，使用基于NPR锁模的掺铒光纤激光器，得到了27.74 MHz的基频锁模脉冲，以及18mW的最高34次谐波锁模脉冲（943.16 MHz），其超模抑制比大于50dB,相对强度噪声为-140dB/Hz^[10]。

2011年，来自波兰弗罗茨瓦夫理工大学的研究人员为主的科研团队，使用基于NPR锁模的铒镱共掺光纤激光器，得到了15.8MHz的基频锁模脉冲，以及最高634次谐波锁模脉冲（10GHz），在该文章发表时，他们得到的谐波锁模次数在被动锁模光纤激光器的相关研究中是最高的结果^[11]。

2013年，北京邮电大学光子学的研究人员，使用基于主动锁模的掺镱光纤激光器，得到了20.328MHz的基频锁模脉冲，以及最高30次谐波锁模脉冲（609.844 MHz），其超模抑制比达到50dB以上，信噪比达到57dB以上^[12]。

2014年，北京理工大学激光工程学院的研究人员，使用基于NPR锁模的掺镱光纤激光器，得到了22.85MHz的基频锁模脉冲，以及最高4次谐波锁模脉冲（91.40MHz），并后续应用于超连续谱的产生，得到了700～1700nm的光谱范围^[13]。

2014年，来自南通大学电子信息学院通信工程系重点实验室的科研团队，使用基于NPR锁模的掺镱光纤激光器，得到了1.544MHz的基频锁模脉冲，以及最高21次谐波锁模脉冲（32.42MHz ）

^[14]。

2015年，来自国立台北理工大学光电工程系的科研人员，使用基于NPR锁模的掺镱光纤激光器，得到了35MHz的基频锁模脉冲，以及最高6次谐波锁模脉冲^[15]。

2018年，来自北京邮电大学电子工程学院的研究人员为主的科研团队，使用基于主动锁模的掺镱光纤激光器，得到了33.346 MHz的基频锁模脉冲，以及最高11次谐波锁模脉冲（366.806MHz） 实验中加入了高速光强调制器，可以将中心波长精确地从1029.35nm调整到1079.25nm^[16]。

2018年，来自河北物理科学与信息学院先进实验室的研究人员为主的科研团队，使用基于NPR锁模的掺镱光纤激光器，以耗散孤子的形式，得到了261.6KHz的基频锁模脉冲，以及最高9次谐波锁模脉冲（2.3544MHz）^[17]。

5 结语

本文展示了世界各地的科研团队对基于光纤激光器产生高次谐波锁模脉冲的实验成果，让读者们对该科研方向的研究现状有了一个比较清晰的认识，为相关研究人员提供了一个参考。在后续的工作中，本人将进入实验阶段，基于NPR锁模的掺镱光纤激光器，对光学频率梳完成重复频率的锁定，调试产生高次谐波锁模脉冲并尝试抑制其超模噪声。根据得到频率稳定性结果，探究精密锁定的光梳系统其基频锁模脉冲与谐波锁模脉冲的稳定性优劣情况。

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作者简介：钟艺峰（1995-），男，在读研究生，主要从事基于飞秒光梳产生超稳微波源的研究工作，Email:498608709@qq.com