激光腔的边界条件决定了激光在腔内以一系列分立的谐振模式稳定存在。根据光的传播方向，这些模式可分为纵模和横模。如果只考虑单个水平模具，如果许多垂直模具之间的相位关系被锁定（即锁模），则可以在时域获得超短的相干脉冲光，如图1所示[1]。锁模激光器能在时域产生超短的光脉冲，峰值功率高，频域光谱宽。因此，它在科学和工程领域得到了重要的应用。
图1 激光腔中锁模构成时域超短脉冲[1]
如果锁模激光器的增益介质是光纤，则称为锁模激光器。光纤激光器具有光束质量好、散热性好、性能可靠、使用方便等优点，得到了广泛的研究。光纤激光器已广泛应用于连续或准连续（脉宽在纳秒或以上）。
近年来，锁模光纤激光器的研究发展迅速，超短脉冲的强度记录不断刷新，其性能接近或达到固体激光水平，预计未来几年将取得重大突破。
锁模光纤激光器类型
锁模光纤激光器有多种形式，下面试着从不同的角度对锁模光纤激光器进行分类。
锁模方式
根据锁模式的不同，可分为锁模式主动锁模和被动锁模两类。主动锁模主要是指激光腔内有主动调制装置，利用外部手段定期调制光，从而达到锁模。主动锁模光纤激光器可用于扫频。由于主动锁模需要在腔内引入外部调制元件，与被动锁模相比，结构一般比较复杂，输出脉宽一般比较宽。被动锁模是指利用无源器件的可饱和吸收特性对激光进行调制获得脉冲，具体在下文进行介绍。
可饱和吸收体类型
可饱和吸收体（saturable absorber，SA），指其吸收或损失随输入光强的变化而变化。光强高的部分损失小，光强低的部分损失大，从而达到压缩脉冲和消除噪声脉冲的目的，如图2所示[2]。饱和吸收体多次作用于腔内循环的激光，获得稳定的脉冲串输出，实现模具锁定。
图2可饱和吸收体实现锁模和稳定脉冲的机理示意图[2] (左)可饱和吸收体透过率随输入光强变化曲线；(右)可饱和吸收体（SA）输入噪声的作用(时域)。
可饱和吸收体可分为可饱和吸收体自然饱和吸收体(通常由具有饱和吸收特性的材料组成)和等效饱和吸收体两者。前者有常用的半导体饱和吸收镜(SESAM)，以及基于碳纳米管、石墨烯、二维材料等新型可饱和吸收体。北京大学张志刚教授与中国科学院半导体研究所研究员马晓宇合作，开发了光纤激光锁模和微片激光调Q的高调深度SESAM(调制深度12%)，固体激光锁模低调制深度SESAM(调制深度1%)。
等效可饱和吸收体通常由多个光学器件、效应共同实现可饱和吸收效应，包括非线性偏振旋转（NPR）、非线性环形镜（NOLM）、非线性放大环形镜（NALM）、非线性多模干涉，Mamyshev再生器等。
脉冲演化机制
锁模光纤激光器可根据腔内脉冲在不同色散条件下的演化机制大致分为孤子光纤激光器、光纤激光器(又称色散管理)、自相似光纤激光器以及光纤激光器耗散孤子(包括全正色散)，如图3所示[2]。
近年来，基于Mamyshev再生器锁模Mamyshev振荡器引起了人们的广泛关注，其演变方式与上述不同。Mamyshev振荡器包含两个几乎完全相同的部分，在每个部分形成抛物线脉冲，在放大过程中的自相似进化使脉冲能够承受高非线性效应而不分裂；腔Mamyshev经过多次循环，再生器形成了具有阶跃透过率曲线的可饱和吸收器。
这些特征使得Mamyshev 锁模光纤激光器可输出高能脉冲，实现单模光纤激光器压缩后达到兆瓦峰值功率的输出[3]。天津大学胡明利教授课题组进一步采用大模场光子晶体光纤Mamyshev振荡器，实现了压缩后峰值功率约为13 MW超短脉冲输出[4]。
图3 不同锁模光纤激光器中的脉冲演化图(右侧注明最大累积非线性相移，无光波分裂)[2]，ФNL：非线性相移。
工作波长
锁模光纤激光器分为增益介质和掺钕（Nd3 ）、铒（Er3 ）、镱（Yb3 ）、铥（Tm3 ）、镨（Pr3 ）对应不同工作波长的各种离子增益光纤，通常分别为1064 nm、1550 nm、1030 nm、2000 nm、635 nm波段等。
腔的结构
根据腔的结构，可分为环形腔、线性腔（F-P腔）等。有些腔的形状像阿拉伯数字8或9图4是一种典型的环形腔结构外加光纤激光[5]，锁模器件是集成在光纤连接器端面的单壁碳纳米管，工作波段为1550 nm。光纤在这个波段是异常色散(群速色散)β2为负值)，所以激光是孤子激光器，腔内不需要色散补偿。腔内滤波器用于精细控制输出波长，否则不能使用滤波器。
值得注意的是，光在光纤中传输的偏振状态容易受到环境的干扰，因此锁模光纤激光器通常需要正确固定光纤，或采用全保偏光纤结构。
图4碳纳米管锁模掺铒光纤激光器结构示意图[5]
时空锁模多模光纤激光器
锁模光纤激光技术的另一个值得注意的进展是2017年提出并实现的基于多模光纤的时空锁模激光器。激光腔还锁定了腔内的许多横模和纵模[6]。通过激发和锁定多个横模，Wright等人实验获得150能量 nJ、脉宽150 fs对应10的输出 W平均输出功率和1 MW峰值功率。他们还指出，使用更大芯径的光纤有望将脉冲能量提高两个数量级。
锁模光纤激光市场需要进一步发展
锁模光纤激光器具有工作稳定性好、维护方便等优点，受益于光纤通信行业的发展，光纤相关设备通常更便宜。因此，锁模光纤激光器在高速光纤通信、微机械加工、生物医学、精密测量等领域具有广阔的应用前景[7]。
此外，传统的固体激光器受热光效应的限制，其平均功率和重复频率通常难以提高。光纤表面与体积的比例很大，具有优异的散热性能。因此，高频锁模光纤激光器在某些特定应用中具有潜在的优势，如通过激光的高谐波获得极紫外线辐射，并在机械加工中提高生产效率[8]。
随着锁模光纤激光器的发展，有许多公司可以提供锁模光纤激光器产品，包括国外Topica、Pritel、Calmar、Menlo其他公司，中国也有很多公司。虽然目前锁模光纤激光器的市场与准连续光纤激光器相比并不大，但笔者认为锁模光纤激光器在未来几年将得到更多的应用，其市场将大幅增长。
参考文献
[1] Rick Trebino教授教案, http://www.frog.gatech.edu
[2] F. W. Wise, A. Chong,W. H. Renninger. High-energy femtosecond fiber lasers based on pulse propagation at normal dispersion. Laser & Photonics Reviews, Apr. 2008, 2(1-2):58-73.
[3] Z. Liu et al. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator, Optica, 2017, 4(6): 649.
[4] J. Cui, Y. Song, C. Wang, and M. Hu, Femtosecond Mamyshev oscillator with 10-MW-level peak power, Optica, 2019, 6(2): 194-197.
[5] F. Wang, A. G. Rozhin, V. Scardaci, Z. Sun, F. Hennrich, I. H. White, W. I. Milne, and A. C. Ferrari, Wideband-tuneable, nanotube mode-locked fibre laser. Nature Nanotechnology, 2008, 3:738-742
[6] L. G. Wright, D. N. Christodoulides, F. W. Wise. Spatiotemporal mode-locking in multimode fiber lasers. Science, 2017, 358(6359): 94-97.
[7] 朱宁华、燕连山、刘建国 主编，光纤光学前沿，第六章 光纤光源。2011年科学出版社.
[8] 余霞、罗佳琪、肖晓生、王攀、高功率超快光纤激光器研究进展，中国激光，46(5):050807，2019.
作者简介
北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室肖晓生，副教授，主要从事锁模光纤激光器和光纤通信的研究
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