详细探讨基于可饱和吸收效应被动锁模技术的发展情况

  超快激光属于超短脉冲，而锁模是产生超短脉冲的主要手段，实现方式有主动锁模、被动锁模以及混合锁模。从被动锁模光纤激光器产生锁模脉冲的机理来看，波导介质引起的群速度色散、非线性效应，的频谱滤波效应，以及可饱和吸收体(SA)引起的自振幅调制效应等物理过程之间的相互平衡是形成稳定脉冲的关键因素。下面我们将详细探讨基于可饱和吸收效应被动锁模技术的发展情况来看超快激光的未来发展。

  可饱和吸收体是利用非线性效应产生超快光纤激光的被动光调制器件，其光调制作用一般是指衰减光强的能力随光强的增大而降低。

  真实饱和吸收体包括半导体可饱和吸收镜(SESAM)和纳米材料；人造可饱和吸收体包括非线性偏振演化(NPE)、非线性光环形镜(NOLM ) 、非线性多模干涉(NLMMI)和Mamyshev再生器(Mamyshev)。

  合理选择可饱和吸收体参数是获得具有自启动、高环境稳定性、脉冲参数可控等特点的超快光纤激光的核心技术。在被动锁模技术应用中，各种可饱和吸收体被动锁模技术产生超短光纤激光的优势以及所面临的问题不同。

  非线性偏振旋转演化锁模技术是克尔效应引起的不同偏振光产生不同非线性相移而实现可饱和吸收效应的锁模机制，具有波长可调、调制深度大、响应时间短等优点，但是工作状态会受到环境温度、外部振动、偏振退却等因素的影响，使NPE等效的可饱和吸收体参数在长时间工作条件下易发生变化，导致锁模状态发生变化甚至失锁，限制了NPR锁模光纤激光器的实用化和商业化。

  如何规避或者抵消NPE锁模环境不稳定性的缺点？近几年，全保偏光纤NPE锁模和智能NPE锁模逐渐成为解决NPE技术问题的两个主要方向。

  全保偏NPE锁模的核心技术是将标准单模光纤替换为保偏光纤，可以规避掉单模光纤弱双折射效应引起的调制不稳定性，进而提升激光腔的整体环境稳定性。据悉，目前已经报道的各类全保偏光纤NPE锁模激光器可以有效地降低环境温度等外界因素的影响，实现稳定锁模。

  智能NPE锁模的核心技术是通过智能算法与控制系统相结合的方式，自动反馈并自动调控激光腔内的偏振状态。当腔内偏振状态由于外部环境发生变化时，智能系统可以迅速甄别并自动调节偏振器件，进而抵消掉NPE光纤激光器对环境的敏感性，提升NPE锁模技术的主动控制能力。

  利用Sagnac环产生强度相关的非线性相移差实现锁模的激光器称为NOLM锁模激光器，类似于数字“8”，也称为8字型腔激光器。

  相比于NPR锁模技术，NOLM锁模机制的优点是受环境温度等因素的影响较小、响应时间短、锁模不受波段限制、产生的脉冲强度抖动性小。缺点是NOLM 较难自启动，需要偏振控制器(PC)调节腔内巨脉冲启动锁模状态。

  弱双折射单模光纤的环境稳定性较差，无法形成环境稳定锁模，无法在温度变化较大的工业环境中应用；全光纤结构的8字型腔的腔长普遍较长，产生的脉冲重复频率通常低于20 MHz，无法在高重复频率如频率梳等应用中使用。为了解决稳定性以及拓展非线性环锁模激光器的应用空间，研究人员设计出了运用全保偏光纤及器件改进型的高环境稳定性8字腔和高重复频率9字腔激光器。

  全保偏8字腔提升环境稳定性的核心技术同全保偏NPE锁模技术类似，都是将标准单模光纤替换为保偏光纤，提升激光腔的环境稳定性。不同之处在于，8字腔结构不存在群速度失配的问题，腔型设计相对简单，如图2所示。

  高重复频率9字腔，结构如图3所示，是为了满足高重复频率如光频梳等应用，通过缩短激光腔长获得高重复频率激光输出的最直接的技术。但对于NOLM激光器来说，短腔无法保证积累足够的非线字腔锁模光纤激光器实验装置图

  基于NOLM锁模技术逐渐成为商用高重复频率超快光纤激光的主流锁模技术。

  红外波段的倍频等。与近红外波段(1 μm、1.5 μm、2 μm 等波段)锁模光纤激光器相比，这些方式的不足之处在于成本过高、封装体积过大、光路较复杂等。

  由于二维纳米材料的宽带响应特性，可利用其作为可饱和吸收体在可见光波段光纤激光器中产生调Q

  近几十年，SESAM得到了迅速的发展并实现了商业化。SESAM主要由半导体可饱和吸收体和布拉格反射镜组成，以InGaAs量子阱作为可饱和吸收体可以对指定波长实现有效吸收，而在衬底层上交替镀制的GaAs和AlAs层构成的布拉格反射镜决定了反射光谱。

  SESAM被动锁模光纤激光器具有易于自启动、结构简单、性能稳定、锁模阈值低、响应时间短等优点，但其制造工艺复杂、成本较高以及不易于光纤集成等特点促使人们开始寻找其他新型可饱和吸收体，如碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物、黑磷、MXene、钙钛矿、锑烯、铋烯等新型材料，如图5所示。

  在非线性介质中由于受到自相位调制(SPM)、互相位调制(XPM)效应的影响,不同光功率的折射率产生差异，进而影响传输拍长，通过控制光纤长度可以实现可饱和吸收效应的强弱控制。在多模光纤中，对于低功率

  多模光纤结构激光器结构简单、输出稳定、脉冲输出类型多样，但是仍然存在环境不稳定性、调控不方便等缺点，具有深入研究的空间。#5 Mamyshev锁模技术

  振荡器即Mamyshev被提出，如图7。Mamyshev再生放大最早于1998年由Mamyshev提出，随后被应用在通信

  尽管如此，Mamyshev振荡器在产生高峰值功率上的巨大潜力吸引了研究人员的注意。2020年，研究人员通过两段大模场保偏掺镱增益光纤，实现了13 MW峰值功率的激光脉冲输出。这已经超过了传统商用钛蓝宝石激光器的输出峰值功率，足以证明Mamyshev振荡器的巨大潜力，并有望替代传统商用钛蓝宝石激光器。

  微机械加工、生物医学、精密计量等领域有着广泛的应用前景。随着应用领域的不断拓展，利用各种非线性可饱和吸收效应锁模机理，设计出更加稳定、便宜、便携的超快激光光源，将有助于推动超快光纤激光器向着更加成熟的方向发展。

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