岳 軍, 韓小祥, 王斐然, 張?jiān)奇? 嚴(yán)祥安, 王 軍, 張海洋, 張國青

(西安工程大學(xué) 理學(xué)院, 陜西 西安 710048)

自20世紀(jì)80年代以來,隨著光纖技術(shù)日趨成熟,以光纖作為基質(zhì)的光纖激光器得到了迅速的發(fā)展[1-2]。超快光纖激光器以其小體積、低噪聲、高效率、較好的穩(wěn)定性和兼容性等優(yōu)點(diǎn)迅速成為化學(xué)、生物、材料和信息科學(xué)領(lǐng)域最前沿的研究課題之一[3-8]。超快激光的快速發(fā)展促進(jìn)了許多重要領(lǐng)域的科學(xué)進(jìn)步,如非線性顯微鏡、激光微加工、光學(xué)計(jì)量、生物醫(yī)學(xué)成像等[9-13]。

到目前為止, 獲得超快激光的方法主要有主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模技術(shù)2種[14-16]。 主動(dòng)鎖模光纖激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間通常在皮秒量級(jí)。 此外, 調(diào)制器可能會(huì)降低主動(dòng)鎖模光纖激光器的環(huán)境穩(wěn)定性[17-18]。 隨后, 基于自相位調(diào)制(self phase modulation, SPM)和交叉相位調(diào)制的人工可飽和吸收體(saturable absorber, SA), 如非線性光學(xué)環(huán)形鏡(nonlinear optical loop mirror, NOLM)、非線性放大環(huán)形鏡(nonlinear amplifying loop mirror, NALM)、非線性偏振旋轉(zhuǎn)(nonlinear polarization rotation, NPR)[19-24]等, 以及基于材料非線性吸收特性的真實(shí)可飽和吸收體, 如碳納米管、 石墨烯、 半導(dǎo)體等已被廣泛研究[25-30]。 然而, 用這些方法鎖模都各有其缺點(diǎn)。 NOLM、 NALM需要精確地控制功率的耦合比, 不易傳輸, 并且缺乏調(diào)諧的靈活性。 NPR對(duì)光纖的隨機(jī)雙折射高度敏感, 并且與保偏(polarization-maintaining, PM)光纖不兼容, 鎖模易受環(huán)境擾動(dòng)的影響。 此外, 由于NPR和NALM的獨(dú)特的傳輸強(qiáng)度曲線, 該方法輸出的激光很容易出現(xiàn)脈沖失穩(wěn)和多脈沖的現(xiàn)象[31]。 對(duì)于基于材料的飽和吸收體, 尤其是半導(dǎo)體, 長期使用容易退化, 這在很大的程度上限制了激光源的壽命[32]。 同時(shí), 由于光纖中非線性效應(yīng)的累積, 脈沖分裂阻礙了高能脈沖的獲取, 通?？梢垣@得數(shù)百飛秒的納焦耳激光脈沖。 因此, 研究人員致力于開發(fā)一種新的超短脈沖產(chǎn)生機(jī)制, 以克服非線性效應(yīng)對(duì)脈沖能量的限制。

近年來,馬米舍夫振蕩器作為一種新型的被動(dòng)鎖模振蕩器,因其優(yōu)良的脈沖輸出特性,如脈沖寬度、光譜帶寬和輸出能量,引起了人們的廣泛關(guān)注。事實(shí)上,在1994年P(guān)iché[33]就已經(jīng)提出了通過在激光腔末端插入2個(gè)具有不同透射曲線的光譜濾波器來鎖模激光器,但當(dāng)時(shí)并沒有引起太多關(guān)注。1998年Mamyshev提出了基于SPM和頻譜濾波相結(jié)合的脈沖放大和整形技術(shù)[34]。隨后,人們對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究,為馬米舍夫振蕩器的研究與發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。2017年美國康奈爾大學(xué)的Wise研究小組首次明確提出了馬米舍夫振蕩器的概念[35],并開始了對(duì)馬米舍夫振蕩器的系統(tǒng)研究。馬米舍夫振蕩器可以有效地提高激光脈沖能量,縮短脈沖持續(xù)時(shí)間,在工業(yè)應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí),它包含了豐富的非線性效應(yīng),可以作為研究非線性光學(xué)系統(tǒng)的良好平臺(tái),促進(jìn)了超快激光技術(shù)和非線性光學(xué)的發(fā)展。與傳統(tǒng)的鎖模光纖激光器相比,馬米舍夫振蕩器可以承受更多的非線性效應(yīng)而不發(fā)生脈沖分裂,從而產(chǎn)生更高的峰值功率。同時(shí),馬米舍夫振蕩器具有很高的環(huán)境穩(wěn)定性和優(yōu)良的脈沖性能。經(jīng)過適當(dāng)?shù)那辉O(shè)計(jì)和外部放大,可以獲得更寬的光譜、更短的脈沖寬度和更高的峰值功率。

1 基本原理

馬米舍夫振蕩器可以看作是馬米舍夫再生器的串聯(lián)組合,馬米舍夫再生器通常由1段有源或無源光纖、1個(gè)輸出耦合器和1個(gè)帶通濾波器組成,它對(duì)脈沖的放大和整形起著重要作用。單臂馬米舍夫再生器的工作原理如圖1所示[36]。當(dāng)輸入脈沖在光纖中傳播時(shí),光纖中的SPM會(huì)導(dǎo)致光譜展寬。展寬的脈沖通過一個(gè)中心波長偏離初始脈沖中心波長的帶通濾波器,只有經(jīng)過SPM產(chǎn)生的新光譜成分才能通過濾波器。光脈沖的非線性展寬和偏移濾波機(jī)制可以等效為可飽和吸收體,其中低強(qiáng)度脈沖的SPM不足以使光通過帶通濾波器,但可以通過級(jí)聯(lián)方式來增強(qiáng)光強(qiáng)度,最終得到高強(qiáng)度脈沖,同時(shí)濾除低于某個(gè)強(qiáng)度閾值的低強(qiáng)度脈沖。圖1中高強(qiáng)度脈沖P1和低強(qiáng)度脈沖P2在光纖中經(jīng)歷不同程度的非線性光譜展寬,后者因SPM不足而被偏移濾波器濾除,前者經(jīng)足夠的SPM頻譜展寬至λ0+Δλ處,偏移濾波器實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)波長的選取,輸出了波長為λ0+Δλ的光脈沖,其中λ0為輸入脈沖的中心波長,Δλ為帶通濾波器的通帶中心所對(duì)應(yīng)的波長與輸入脈沖中心波長的偏移量?？梢酝ㄟ^串聯(lián)2個(gè)馬米舍夫再生器并使用2個(gè)不同中心波長的濾波器重復(fù)該過程來增強(qiáng)這種效應(yīng),并且可以通過連續(xù)放大來實(shí)現(xiàn)高能超快激光脈沖[37]。

圖1 馬米舍夫再生器工作原理[36]Fig.1 Working principle of Mamyshev regenerator[36]

在馬米舍夫振蕩器中,光脈沖的非線性展寬和偏移濾波機(jī)制所起到的階躍可飽和吸收體作用,使系統(tǒng)可以容忍高強(qiáng)度的非線性累積,可以實(shí)現(xiàn)更高的脈沖能量[38]。

在馬米舍夫振蕩器腔中需要考慮3個(gè)主要影響:脈沖傳播、放大和光譜濾波。一般來說,脈沖在光纖中的傳播可以用非線性薛定諤方程描述[39]為

(1)

式中:A是慢變脈沖包絡(luò)振幅;β2是群速度色散參數(shù);β3是3階色散參數(shù);γ是非線性系數(shù),可以描述為

(2)

式中:n2是非線性折射率;ω0是工作波長的中心角頻率;c是光速;Aeff是光纖的有效模面積。

在馬米舍夫振蕩器中,2個(gè)中心波長不同且偏移的濾波器被1根非線性光纖隔開。馬米舍夫振蕩器中脈沖的演化如圖2所示[39]。經(jīng)增益光纖放大后的脈沖在無源光纖中傳播時(shí),由于SPM光譜發(fā)生展寬。到達(dá)濾波器F2后,一部分脈沖被濾波器F2反射回來,另一部分通過濾波器F2。正如前文所述,濾波器F1和濾波器F2的中心波長不同且偏移,這意味著只有光譜足夠?qū)挼拿}沖才能通過濾波器F2。通過濾波器F2的脈沖經(jīng)下一段無源光纖展寬、增益光纖放大,然后被濾波器F1濾波,恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖2 馬米舍夫振蕩器中脈沖頻譜演化[39]Fig.2 Pulse spectrum evolution in Mamyshev oscillator[39]

根據(jù)以上分析,脈沖在腔內(nèi)振蕩主要經(jīng)歷6個(gè)步驟:放大、光譜展寬、光譜濾波、再放大、光譜展寬和光譜濾波。經(jīng)過多次循環(huán)后,脈沖能量和持續(xù)時(shí)間將保持穩(wěn)定。眾所周知,脈沖受到高非線性效應(yīng)的影響,會(huì)發(fā)生分裂,限制了能量的提高。然而,馬米舍夫振蕩器可以承受相當(dāng)高的非線性效應(yīng)。例如,傳統(tǒng)的孤子在腔中幾乎不能承受非線性效應(yīng),而馬米舍夫振蕩器中的脈沖可以承受60π以上[35]。因此,脈沖能量可以達(dá)到納焦級(jí)。此外,腔中的2個(gè)偏移濾波器形成了一個(gè)具有100%調(diào)制深度的人工可飽和吸收體。以上這些特點(diǎn)使得馬米舍夫振蕩能夠輸出較高峰值功率的脈沖。

高非線性效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光譜大幅度展寬。根據(jù)時(shí)間-帶寬積,較寬光譜脈沖經(jīng)過外部壓縮后可以有較短的脈沖持續(xù)時(shí)間。光譜越寬,脈沖寬度越窄。因此,馬米舍夫振蕩器有助于縮短脈沖持續(xù)時(shí)間。串聯(lián)再生器的方法極大地抑制了連續(xù)光和多脈沖的出現(xiàn),這是馬米舍夫振蕩器在環(huán)境穩(wěn)定設(shè)計(jì)方面和高功率源方面邁出的重要一步。與傳統(tǒng)的超快光纖激光器相比,馬米舍夫振蕩器在獲得穩(wěn)定的高能超短脈沖方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2 馬米舍夫振蕩器的啟動(dòng)方法

馬米舍夫振蕩器因其能夠產(chǎn)生高峰值功率、高光束質(zhì)量超短脈沖以及結(jié)構(gòu)簡單而受到廣泛關(guān)注。由于馬米舍夫振蕩器自身的性質(zhì),自啟動(dòng)比較困難,所以對(duì)于馬米舍夫振蕩器啟動(dòng)問題的研究是一個(gè)熱點(diǎn)。常用的啟動(dòng)方法主要有2種:1種是注入外部種子脈沖來啟動(dòng),另1種是添加啟動(dòng)臂來啟動(dòng)。除此之外,還有在選定的工作參數(shù)下,無需外部種子脈沖或添加啟動(dòng)臂即可實(shí)現(xiàn)鎖模的激光器。

2.1 注入種子脈沖啟動(dòng)

2015年,Regelskis等[39]為了啟動(dòng)激光器,通過從外部皮秒被動(dòng)鎖模光纖振蕩器(脈沖重復(fù)率52 MHz)耦合到輸出1端口向激光器注入單個(gè)脈沖。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。1個(gè)輸出波長為976 nm的激光2極管作為泵浦源,通過波分復(fù)用器WDM 1耦合進(jìn)保偏摻鐿單模光纖中。第2個(gè)波分復(fù)用器WDM 2用于將剩余泵浦功率(未被摻鐿光纖吸收)與信號(hào)分離。注入種子脈沖后,在輸出端以14.52 MHz的重復(fù)頻率產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖序列。種子脈沖參數(shù)(持續(xù)時(shí)間、能量、時(shí)間和光譜形狀)和輸出脈沖參數(shù)可以相差1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。激光器對(duì)種子脈沖具有耐受性,無需關(guān)閉種子脈沖。

圖3 保偏摻鐿光纖馬米舍夫振蕩器[39]Fig.3 Ytterbium-doped fiber Mamyshev oscillator with polarization preserving[39]

2017年, Liu等[35]為了研究馬米舍夫振蕩器的啟動(dòng),搭建了1個(gè)線型腔馬米舍夫振蕩器(見圖4)。短脈沖的產(chǎn)生可以通過在其中1個(gè)輸出端放置反射鏡M3來實(shí)現(xiàn),以將被反射的光引導(dǎo)回振蕩器。添加此反射鏡可創(chuàng)建2個(gè)耦合腔:帶有2個(gè)光譜濾波器的馬米舍夫腔和1個(gè)可在濾波器1的通帶內(nèi)連續(xù)振蕩的腔。馬米舍夫腔只在高峰值功率下振蕩,不支持連續(xù)波工作,而M1和M3形成的耦合連續(xù)波腔則相反。在反射鏡M3耦合的情況下,觀察到通常在運(yùn)行約10 s后馬米舍夫振蕩器中出現(xiàn)脈沖序列。他們將這種自啟動(dòng)歸因于持續(xù)時(shí)間為納秒的尖峰脈沖光譜展寬。通過觀察啟動(dòng)前的腔輸出,他們推斷,耦合線型腔馬米舍夫振蕩器中的尖峰脈沖是由耦合腔中的弛豫振蕩引起的。他們觀察到來自輸出端1的納秒脈沖束,其持續(xù)時(shí)間約數(shù)百微秒,時(shí)間間隔與連續(xù)腔中的弛豫振蕩時(shí)間一致。只有連續(xù)波腔的損耗足夠大時(shí),才能觀察到這些弛豫振蕩;一旦馬米舍夫腔開始工作,它在連續(xù)腔的持續(xù)存在下將一直穩(wěn)定,這對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有很大的吸引力。

圖4 線型腔馬米舍夫振蕩器[35]Fig.4 Linear-cavity Mamyshev oscillator[35]

2019年,Liu等[40]為了啟動(dòng)振蕩器,引入了1個(gè)跨越濾波器通帶的外部種子,其振蕩器結(jié)構(gòu)如圖5所示。種子脈沖的能量不需要很強(qiáng),傳統(tǒng)的單模鎖模光纖激光器可以滿足這一要求。在足夠的泵浦功率下,只需在偏振分束器PBS 2之前旋轉(zhuǎn)波片,即可輕松啟動(dòng)振蕩器。一旦振蕩器啟動(dòng),種子脈沖就可以關(guān)掉。振蕩器最初在多脈沖模式下工作?？梢杂^察到不同的多脈沖狀態(tài),包括孤子束、孤子流和束縛態(tài)等。通過逐漸增大輸出耦合比和降低泵浦功率,使鎖模脈沖的數(shù)量減少,最終變成單脈沖。一旦振蕩器進(jìn)入單脈沖狀態(tài),當(dāng)增加泵浦功率時(shí),就不會(huì)觀察到向多脈沖狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

LD—laser diode;DM—dichroic mirror;ISO—isolator;PBS—polarization beam splitter;TLF—tunable longpass filter;TSF—tunable shortpass filter;MPC—multi-pass cell;TG—transmission grating;QWP—quarter waveplate;HWP—half waveplate。

2.2 添加啟動(dòng)臂啟動(dòng)

2018年,Sidorenko等[41]提出了1種簡單可靠的方法來啟動(dòng)馬米舍夫振蕩器,如圖6所示。為了產(chǎn)生能夠引發(fā)脈沖的振蕩波,構(gòu)造了1個(gè)啟動(dòng)臂,它繞過第1個(gè)濾波器,允許振蕩器內(nèi)的連續(xù)光通過。啟動(dòng)臂包含1個(gè)由非保偏光纖和偏振元件通過非線性偏振演化(nonlinear polarization evolution,NPE)形成的人工SA,用于放大波動(dòng)以產(chǎn)生種子脈沖。當(dāng)連接啟動(dòng)臂并且調(diào)整SA以產(chǎn)生盡可能寬的光譜時(shí),在沒有第1濾波器的腔中產(chǎn)生了噪聲調(diào)Q脈沖。啟動(dòng)臂產(chǎn)生的噪聲調(diào)Q脈沖在主腔中在SPM的偏移濾波效應(yīng)作用下形成鎖模脈沖。雖然NPE的使用使啟動(dòng)臂對(duì)環(huán)境敏感,但一旦啟動(dòng)臂分離,就不會(huì)影響主腔。同時(shí),他們預(yù)計(jì)用環(huán)境穩(wěn)定的SA替代由NPE形成的SA將相當(dāng)好地發(fā)揮作用,甚至可以用PM光纖制作啟動(dòng)臂。啟動(dòng)后,無論啟動(dòng)臂是否連接主腔,鎖模都會(huì)變得比較穩(wěn)定。

圖6 添加啟動(dòng)臂后的馬米舍夫振蕩器[41]Fig.6 Mamyshev oscillator with start arm added[41]

2019年,Olivier等[42]介紹了1種基于保偏摻鉺光纖的馬米舍夫振蕩器,其結(jié)構(gòu)如圖7所示。它由3個(gè)臂組成。ARM 3用于初始脈沖的形成,由非保偏光纖、四分之一波片和偏振器組成。另外2臂作為環(huán)型馬米舍夫振蕩器的主要結(jié)構(gòu)。ARM 1和ARM 2的所有光纖都是保偏的。2個(gè)臂都有1個(gè)前向傳播泵浦源(Pump 1和Pump 2a),ARM 2還帶有1個(gè)后向傳播泵浦源(Pump 2b)。要啟動(dòng)激光器,就需要使用翻轉(zhuǎn)鏡ARM 3,將輸出耦合調(diào)整為50%,并將濾波器1和2分別設(shè)置為1 565 nm和1 555 nm。隨后,馬米舍夫腔中出現(xiàn)了多個(gè)脈沖。ARM 3隨后被停用,脈沖在主腔(ARM 1和ARM 2)中存活。使用翻轉(zhuǎn)鏡,輸出信號(hào)被引導(dǎo)至繞過濾波器2的ARM 3。由于非線性偏振演化,使得振蕩器中迅速形成脈沖。然后,將反射鏡翻轉(zhuǎn)回來,使ARM 3失效,振蕩器持續(xù)輸出脈沖。一旦振蕩器啟動(dòng),鎖模脈沖將很穩(wěn)定。

FLIP—flip mirror;POL—polarizer;WDM—wavelength division multiplexing。

2020年,Boulanger等[43]提出了1種基于啁啾光纖布拉格光柵(chirped fiber bragg grating, CFBG)的線型腔馬米舍夫振蕩器。為了啟動(dòng)馬米舍夫振蕩器,增加了1個(gè)外部啟動(dòng)臂(見圖8),以獲得可靠的啟動(dòng)。該臂使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡在1 565 nm處產(chǎn)生調(diào)Q脈沖,并從第2個(gè)輸出端(2nd output)反饋。一旦翻轉(zhuǎn)鏡FLIP關(guān)閉,該腔立即過渡到穩(wěn)定的單脈沖鎖模狀態(tài)。在這個(gè)階段,可以通過拉伸光纖在1 550～1 560 nm之間來回調(diào)整啁啾光纖布拉格光柵(HR-CFBG)的反射率,而不會(huì)失去鎖模。

圖8 基于啁啾光纖布拉格光柵的線型腔馬米舍夫振蕩器[43]Fig.8 Linear-cavity Mamyshev oscillator based on chirped fiber Bragg grating[43]

雖然以上2種啟動(dòng)方式是馬米舍夫振蕩器在啟動(dòng)過程中較常用的方法, 為馬米舍夫振蕩器的發(fā)展起到了非常重要的作用, 也正是通過使用這2種類型的啟動(dòng)方式, 馬米舍夫振蕩器在脈沖參數(shù)和性能方面取得了一系列突破。 但這2種方式也有著很明顯的缺陷, 注入種子脈沖本身就是給激光器提供了1個(gè)脈沖源, 然后通過振蕩器對(duì)源脈沖進(jìn)行優(yōu)化。 盡管這種方式使得脈沖的參數(shù)和性能得到了改善, 但使激光器自身作為1個(gè)脈沖源, 其意義更大。 添加啟動(dòng)臂啟動(dòng)的方式使這個(gè)問題得到了解決, 這也使馬米舍夫振蕩器在發(fā)展過程中取得了進(jìn)步, 然而這種啟動(dòng)方式使得馬米舍夫振蕩器又多出了1個(gè)臂, 這就讓馬米舍夫振蕩器的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。 為了使馬米舍夫振蕩器不依賴種子源, 同時(shí)避免為了啟動(dòng)振蕩器而使得振蕩器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜, 還有研究小組運(yùn)用了其他方式來啟動(dòng)馬米舍夫振蕩器。

2.3 自啟動(dòng)

為了簡化馬米舍夫振蕩器的啟動(dòng)方式,研究人員致力于實(shí)現(xiàn)不需要注入種子脈沖、添加啟動(dòng)臂、施加外力等手段的自啟動(dòng)方法。早在2008年,Rochette等[44]通過實(shí)驗(yàn)證明了1個(gè)基于SPM和偏移光譜濾波的振蕩器的工作原理。圖9顯示了振蕩器的實(shí)驗(yàn)裝置?？偟膩碚f,該器件由2個(gè)級(jí)聯(lián)再生器組成,輸出信號(hào)波長可調(diào)。振蕩器有3種運(yùn)行模式:連續(xù)波模式、自啟動(dòng)脈沖模式和一個(gè)脈沖緩沖(pulse-buffering, PB)模式。濾波器中心波長偏移量Fo=|λBPF1-λBPF2|決定光源是在連續(xù)波模式下工作,還是在脈沖模式下工作。當(dāng)濾波器偏移量為1.1 nm時(shí),激光輸出的是連續(xù)波。當(dāng)1.1 nm8.8 nm,脈沖源停止振蕩,輸出光譜僅包含帶通濾波器1過濾的放大器的放大自發(fā)輻射噪聲。

圖9 調(diào)節(jié)濾波器間隔實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)馬米舍夫振蕩器的腔結(jié)構(gòu)[44]Fig.9 Cavity structure for regulating the filter interval from starting Mamyshev oscillator[44]

近些年來,研究自啟動(dòng)的馬米舍夫振蕩器是馬米舍夫振蕩器研究領(lǐng)域的1個(gè)熱門分支。雖然在這篇報(bào)道中沒有說明這種結(jié)構(gòu)的激光器就是馬米舍夫振蕩器,但它的腔結(jié)構(gòu)與工作原理同典型的馬米舍夫振蕩器無異。而且它在濾波器中心波長偏移量介于1.1～1.3 nm的較小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)。簡單來說,這里的自啟動(dòng)是通過調(diào)節(jié)濾波器間隔來實(shí)現(xiàn)的。從近幾年關(guān)于馬米舍夫振蕩器啟動(dòng)方式的研究中我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于該報(bào)道中所提到的啟動(dòng)方法有著很多應(yīng)用,但是,它們又與該方法有所區(qū)別,該方法只是在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)2個(gè)濾波器的間隔就能實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng),而在后續(xù)的研究中,研究人員不僅調(diào)節(jié)了2個(gè)濾波器之間的間隔,而且還采取了其他措施,我們猜測這可能是由于該方法產(chǎn)生的脈沖性能較差,能量較低造成的。

2020年,Luo等[45]介紹了1種工作波長約為1 550 nm的線型腔全光纖鎖模激光器。所用實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示,將2條長度分別為5 m的色散位移光纖(dispersion shifted fiber, DSF)插入激光腔內(nèi),在DSF的外側(cè)加1個(gè)偏振控制器(polarization controller, PC),以此對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)控。以最大功率約為4.7 W的1 480 nm拉曼光纖激光器通過波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖。該裝置能夠提供高能量超短脈沖,并且具有較強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力。在選定的工作參數(shù)范圍內(nèi),不需要外部種子脈沖激光器或輔助啟動(dòng)臂來誘導(dǎo)鎖模,只需逐漸增加泵浦功率,同時(shí)調(diào)整激光腔的偏振控制器,或者對(duì)腔光纖施加輕微的震動(dòng),就可以很容易地觸發(fā)啟動(dòng)。一旦獲得鎖模,激光器可穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)小時(shí),并可在大范圍的泵浦功率下保持穩(wěn)定。這種啟動(dòng)方式相對(duì)于常用的注入種子脈沖和添加啟動(dòng)臂啟動(dòng)已經(jīng)有了很大的改善,解決了馬米舍夫振蕩器自身不能作為1個(gè)脈沖源的問題,同時(shí)也大大簡化了振蕩器的結(jié)構(gòu),但是通過調(diào)節(jié)偏振控制器PC或者對(duì)光纖施加振動(dòng)的方法可靠性較差。

圖10 全光纖鎖模激光器的結(jié)構(gòu)[45]Fig.10 The structure of an all-fiber mode-locked laser[45]

2021年,Chen等[46]搭建了1個(gè)脈沖傳播方向與正交偏振方向相反的線型振蕩器(圖11)。為了避免在啟動(dòng)過程中增益光纖受到損壞,引入2個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器(faraday rotator, FR),同時(shí)為了啟動(dòng)振蕩器,采用了1種基于泵浦功率調(diào)制的策略,振蕩器可以通過調(diào)制泵浦功率來可靠地啟動(dòng),以獲得鎖模狀態(tài),然后通過調(diào)整濾波器波長和泵浦功率來優(yōu)化鎖模狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)該啟動(dòng)過程的全電子控制。該激光器產(chǎn)生21 nJ和65 fs的脈沖。它具有優(yōu)異的性能和環(huán)境穩(wěn)定性。這種方式無疑使馬米舍夫振蕩器的啟動(dòng)過程變得更加簡單,但添加FR等一系列措施使振蕩器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

圖11 帶有法拉第旋轉(zhuǎn)器的無損傷線型馬米舍夫振蕩器[46]Fig.11 A nondamaging linear Mamyshev oscillator with a Faraday rotator[46]

3 馬米舍夫振蕩器發(fā)展過程中脈沖參數(shù)的優(yōu)化

2015年,Regelskis等[39]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)展示了1種基于摻鐿光纖放大器的線型腔結(jié)構(gòu)激光器,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。其工作波長為1 060 nm,提供了穩(wěn)定的超短脈沖序列。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了能量可達(dá)到0.6～2.8 nJ的皮秒脈沖,且脈沖能量僅受有效泵浦功率的限制。數(shù)值模擬表明可以使用1對(duì)衍射光柵進(jìn)行脈沖壓縮而獲得亞皮秒的脈沖。

2017年,Liu等[35]展示了1種基于級(jí)聯(lián)馬米舍夫再生的環(huán)境穩(wěn)定性高的振蕩器,如圖12所示。峰值功率至少比之前類似的光纖激光器高1個(gè)數(shù)量級(jí)。光譜濾波器將脈沖整形成窄帶寬、短持續(xù)時(shí)間的脈沖,從而在后續(xù)臂中傳播。仿真結(jié)果表明,用低能脈沖激光器(<10 ps)作為種子,馬米舍夫振蕩器可以產(chǎn)生能量為190 nJ,去啁啾持續(xù)時(shí)間小于20 fs的鎖模脈沖。與仿真結(jié)果相比,實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了重復(fù)頻率為17 MHz的約50 nJ和約40 fs的脈沖。

圖12 環(huán)型腔馬米舍夫振蕩器原理[35]Fig.12 Ring cavity Mamyshev oscillator principle[35]

2018年,Sidorenko等[41]提出的馬米舍夫振蕩器,如圖6所示。 振蕩器的設(shè)計(jì)基于文獻(xiàn)[35]中介紹的正常色散環(huán)型腔, 采用保偏摻鐿光纖作為增益介質(zhì)。 第1支臂由纖芯直徑為6 μm的光纖制成, 主要用作第2支臂的較低能量反饋回路。 第2支臂由纖芯直徑為10 μm的光纖構(gòu)成, 用作功率放大器, 之后作為主要輸出端。 與文獻(xiàn)[40]相比, 將腔設(shè)計(jì)擴(kuò)展到了更長的光纖, 以產(chǎn)生穩(wěn)定的190 nJ脈沖, 其去啁啾持續(xù)時(shí)間為35 fs, 產(chǎn)生3 MW的峰值功率。

2020年,Boulanger等[43]提出了1種基于CFBG的線型腔全保偏光纖馬米舍夫振蕩器,這種結(jié)構(gòu)為飛秒高能光纖激光振蕩器帶來了前所未有的簡單性。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。在壓縮后產(chǎn)生能量為21.3 nJ、持續(xù)時(shí)間為108 fs的脈沖。這一成就是通過在線型腔的末端使用高斯型CFBG作為光譜濾波器實(shí)現(xiàn)的。

2022年,Zheng等[47]報(bào)道了1種具有全光纖結(jié)構(gòu)的摻鉺馬米舍夫振蕩器,它可以在低鎖模閾值下產(chǎn)生較短的脈沖持續(xù)時(shí)間,其實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示。在適當(dāng)?shù)那唤Y(jié)構(gòu)設(shè)置下,該激光器在5.45 MHz重復(fù)頻率下產(chǎn)生了脈寬為83 fs,10 dB帶寬為47.4 nm的超短脈沖。此外,泵浦源1和泵浦源2的鎖模閾值分別為33.9 mW和28.8 mW。

圖13 全光纖馬米舍夫振蕩器[47]Fig.13 All-fiber Mamyshev oscillator[47]

同年,他們研究小組報(bào)道了一種短脈沖、高峰值功率的全光纖摻鉺馬米舍夫振蕩器[48],其實(shí)驗(yàn)裝置如圖14所示。通過對(duì)腔內(nèi)的色散管理和腔內(nèi)足夠的非線性相移積累,直接從輸出耦合器(output coupler,OC)獲得了重復(fù)率為6.55 MHz、20 dB光譜帶寬為78.2 nm、單脈沖能量為6.2 nJ、峰值功率為86 kW、不需外部壓縮就能夠產(chǎn)生72 fs脈寬的穩(wěn)定脈沖。據(jù)他們報(bào)道,接近于0的群速度色散(group velocity dispersion,GVD)是直接輸出超快脈沖的關(guān)鍵因素。同時(shí),在他們的報(bào)道中也說明了這是當(dāng)時(shí)獲得的脈寬最短、峰值功率最高的摻鉺馬米舍夫振蕩器。

圖14 全光纖馬米舍夫振蕩器[48]Fig.14 All-fiber Mamyshev oscillator[48]

表1列出了近年來馬米舍夫振蕩器發(fā)展過程中脈沖參數(shù)的變化。從表1中可以看出馬米舍夫振蕩器腔型的設(shè)計(jì)分為線型腔和環(huán)型腔2種,環(huán)型腔的馬米舍夫振蕩器相對(duì)于線型腔的馬米舍夫振蕩器脈沖能量能夠達(dá)到更高的數(shù)量級(jí)。從表1中也可以看出,近年來馬米舍夫振蕩器增益光纖的類型主要集中在摻鉺光纖和摻鐿光纖,對(duì)于其他類型的增益光纖研究較少。除了腔型的變化外,通過改變諧振腔中所用光纖的模場直徑也可以改善輸出脈沖的特性,例如在文獻(xiàn)[40]中脈沖的能量達(dá)到了1 100.0 nJ,這使得單偏振鎖模光纖振蕩器的單脈沖能量和峰值功率達(dá)到了一個(gè)新的水平,這一成果主要?dú)w功于該研究小組將摻鐿大模場光子晶體光纖應(yīng)用到了馬米舍夫振蕩器中,實(shí)現(xiàn)了在諧振腔中不同的位置采用不同的光纖對(duì)脈沖進(jìn)行有效非線性管理的效果。

表1 馬米舍夫振蕩器脈沖參數(shù)Table 1 Pulse parameters of the Mamyshev oscillator

4 結(jié)論與展望

本文主要根據(jù)馬米舍夫振蕩器的啟動(dòng)方式論述了馬米舍夫振蕩器在啟動(dòng)過程中所采用的方法。馬米舍夫振蕩器作為未來極具潛力的新型激光器,其啟動(dòng)方式尤為重要,雖然目前已經(jīng)有各種各樣的啟動(dòng)方法,但有些方法會(huì)影響脈沖性能,有些方法比較復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)既簡單又不影響脈沖性能的啟動(dòng)方法仍然是目前亟待解決的問題。盡管馬米舍夫振蕩器近些年熱度不減,取得了一系列進(jìn)展,但馬米舍夫振蕩器在脈寬、脈沖能量等各項(xiàng)參數(shù)中已遇到瓶頸。

基于馬米舍夫振蕩器的研究現(xiàn)狀,對(duì)馬米舍夫振蕩器進(jìn)行展望如下:

1) 在全光纖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)啟動(dòng)臂來啟動(dòng)振蕩器,能夠使振蕩器結(jié)構(gòu)緊湊且以自身作為脈沖源,通過這種方式啟動(dòng)諧振腔對(duì)優(yōu)化馬米舍夫振蕩器結(jié)構(gòu)很有意義;

2) 基于大模場光纖在提高馬米舍夫振蕩器脈沖能量上的優(yōu)勢(shì),可將摻鉺、摻銩的大模場光纖應(yīng)用于馬米舍夫振蕩器,以進(jìn)一步提高1.5 μm和2 μm波段馬米舍夫振蕩器的脈沖的能量。