陶蒙蒙，諶鴻偉，葉景峰，馮國斌

(激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710024； 西北核技術(shù)研究所，西安710024)

脈沖激光器在很多領(lǐng)域都有著無可替代的重要應(yīng)用，如遙感探測、精密加工和醫(yī)學(xué)手術(shù)等[1-3]。由于全光纖結(jié)構(gòu)激光器的諸多優(yōu)點(diǎn)，脈沖激光器的全光纖化一直都是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢[4-5]。為保持脈沖光纖激光器的全光纖結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的聲光和電光調(diào)制晶體已集成為光纖器件。各種集成在光纖端面的可飽和吸收體，如半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)、石墨烯、碳納米管及近幾年興起的硫系2維材料等，也使脈沖光纖激光器的結(jié)構(gòu)更加簡單。

得益于材料本身的可飽和吸收特性，摻雜光纖也可作為可飽和吸收體用于對(duì)激光器的脈沖調(diào)制。近年來，基于摻雜光纖的光纖可飽和吸收體(fiber saturable absorber, FSA)逐漸受到了研究人員的重視[6]。1996年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Wu等[7]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了摻釤光纖的快速開關(guān)現(xiàn)象，并于1999年通過理論模擬，提出了利用摻釤光纖作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形腔摻鉺光纖激光器被動(dòng)調(diào)Q的巧妙構(gòu)思[8]。理論模擬結(jié)果表明，利用摻釤光纖可實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鉺光纖激光器的穩(wěn)定被動(dòng)調(diào)Q。但長期以來，由于各種基于新材料的新型可飽和吸收體的快速推出和廣泛使用，F(xiàn)SA并未得到足夠的重視和發(fā)展。事實(shí)上，直到2003年才出現(xiàn)首例利用FSA實(shí)現(xiàn)激光器時(shí)域脈沖調(diào)制的實(shí)驗(yàn)報(bào)道[9]。之后，F(xiàn)SA在光纖激光器脈沖調(diào)制領(lǐng)域的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，并獲得了迅速發(fā)展。2012年，Preda等[10]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Wu等關(guān)于摻釤光纖作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鉺光纖激光器被動(dòng)調(diào)Q的設(shè)想。

本文在簡要介紹FSA基本特性的基礎(chǔ)上，給出了FSA的穩(wěn)定調(diào)Q準(zhǔn)則，并對(duì)其在光纖激光器穩(wěn)定調(diào)Q中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述，最后對(duì)FSA后續(xù)的發(fā)展趨勢做了進(jìn)一步展望。

1FSA及調(diào)Q準(zhǔn)則

可飽和吸收效應(yīng)是一種非線性光學(xué)吸收現(xiàn)象[11-13]。非線性光學(xué)吸收是指光與物質(zhì)的相互作用過程中，物質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)與光強(qiáng)呈非線性關(guān)系。一種情況是，物質(zhì)的吸收系數(shù)隨著光強(qiáng)的增加而非線性增大，即反飽和吸收效應(yīng)，它是光限幅的基本原理；另外一種情況是，物質(zhì)的吸收系數(shù)隨著光強(qiáng)的增加而非線性減小，即可飽和吸收效應(yīng)。

可飽和吸收效應(yīng)可用二能級(jí)系統(tǒng)的受激躍遷物理模型來描述，如圖1所示[14-15]。在激光與物質(zhì)發(fā)生共振吸收時(shí)，二能級(jí)系統(tǒng)內(nèi)存在受激吸收、受激發(fā)射及弛豫躍遷過程。

圖1 二能級(jí)系統(tǒng)受激躍遷物理模型Fig.1 Stimulated transition model for the two-level energy system

速率方程可寫為

(1)

(2)

圖2為二能級(jí)系統(tǒng)基態(tài)能級(jí)粒子數(shù)密度N1和FSA歸一化透過率η隨光強(qiáng)I的變化關(guān)系。

(a)N1 vs. I

(b)η vs. I

由圖2(a)可見，隨著光強(qiáng)I的增大，基態(tài)能級(jí)粒子數(shù)密度N1迅速減小并趨于穩(wěn)定。而N1的大小直接表征著物質(zhì)吸收能力的大小，即隨著光強(qiáng)I的增大，物質(zhì)的吸收能力也在不斷減小并逐漸趨于穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)吸收物質(zhì)的透過率則不斷升高并趨于穩(wěn)定，如圖2(b)所示。

由可飽和吸收效應(yīng)的特性可知，該效應(yīng)會(huì)對(duì)較弱的光信號(hào)產(chǎn)生較大的吸收，而對(duì)較強(qiáng)的光信號(hào)產(chǎn)生較低的吸收。這樣，可飽和吸收效應(yīng)就可應(yīng)用于激光器的時(shí)域脈沖調(diào)制。為此，各種不同的可飽和吸收材料相繼被開發(fā)出來[16-18]，包括染料、有色玻璃、SESAM、量子點(diǎn)、碳納米管、石墨烯、拓?fù)浣^緣體和黑磷等。目前，SESAM是最常見的商品化可飽和吸收體，廣泛應(yīng)用于各類激光器中，利用SESAM已實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種近紅外和中紅外波段光纖激光器的脈沖調(diào)制[19-23]。而以石墨烯、拓?fù)浣^緣體和黑磷等為代表的新興2維材料則是目前研究的另一個(gè)熱點(diǎn)[24-30]。

類似，摻雜光纖因可飽和吸收特性也可作為可飽和吸收體，成為FSA。與上述各種可飽和吸收體相比，F(xiàn)SA具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢：

1)本質(zhì)上，F(xiàn)SA就是一段摻雜光纖，因此FSA擁有與增益光纖相同且極高的損傷閾值，可直接用于高能量脈沖的產(chǎn)生。這對(duì)脈沖光纖激光器的高能量輸出具有重要應(yīng)用價(jià)值。

2)原則上，只要一段摻雜光纖在激光器振蕩波長處存在較大的吸收，都可作為該激光器的可飽和吸收體使用[6]。事實(shí)上，摻雜光纖的吸收光譜和發(fā)射光譜往往會(huì)有一定的重疊，因此，可飽和吸收光纖和增益光纖往往是同一種摻雜光纖[31-42]。這就使FSA取材方便，成本低廉。

3)FSA的吸收特性可通過改變摻雜光纖的長度進(jìn)行方便的調(diào)節(jié)，給脈沖激光器的搭建帶來了極大的便利。

4)FSA還可使光纖激光器實(shí)現(xiàn)更加嚴(yán)格意義上的全光纖結(jié)構(gòu)，使光源更加緊湊和穩(wěn)定。

圖3為基于FSA的脈沖激光器典型腔結(jié)構(gòu)。其中，HR為高反光纖光柵；PR為部分反射光纖光柵；WDM為波分復(fù)用器；Filter為濾波器； OC為輸出耦合器。由圖3可見，基于摻雜FSA的脈沖調(diào)制，僅需在光纖激光器諧振腔內(nèi)加入一段摻雜光纖作為可飽和吸收體即可。這種結(jié)構(gòu)不僅簡單易行，而且可保證激光器的全光纖結(jié)構(gòu)。

(a)Linear cavity

(b)Ring cavity

實(shí)際使用中，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脈沖調(diào)制還要求FSA滿足一定的物理?xiàng)l件。本文以二能級(jí)系統(tǒng)為例進(jìn)行簡要推導(dǎo)。

圖3中激光器增益物質(zhì)和FSA均采用二能級(jí)結(jié)構(gòu)。其中，Ni(i=1,2,3,4)為各能級(jí)的粒子數(shù)密度。該激光器系統(tǒng)的速率方程可表示為

(3)

其中，Np為諧振腔內(nèi)光子數(shù)密度；τi(i=2,3,5)為圖4中對(duì)應(yīng)的各能級(jí)的能級(jí)壽命；c為真空中的光速；n為光纖纖芯折射率；h為普朗克常量；P為泵浦光功率；L為諧振腔長度；λp為泵浦光波長；σap為增益光纖對(duì)泵浦光的吸收截面；lg和ls分別為增益光纖和FSA的長度；Ag和As分別為增益光纖和FSA的有效模場面積；Γp和Γs分別為泵浦光和信號(hào)光重疊因子；αs為信號(hào)光傳輸損耗系數(shù)；σa和σe分別為增益光纖在信號(hào)光波長處的吸收和發(fā)射截面；σas和σes分別為FSA在信號(hào)光波長處的吸收和發(fā)射截面；τr為光子在諧振腔內(nèi)往返一次所需的時(shí)間；αs為諧振腔內(nèi)耗散性損耗；R為激光器輸出反射率。另外，各能級(jí)粒子數(shù)密度之間的關(guān)系為

N1+N2=NG

N3+N4=NFSA

(4)

其中，NG和NFSA分別為增益光纖和FSA中總的摻雜粒子數(shù)密度。

圖4 FSA被動(dòng)調(diào)Q簡化能級(jí)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Simplified energy structure of FSA based passive Q-switching

式(3)中第一個(gè)等式右邊項(xiàng)為腔內(nèi)光子數(shù)密度Np的凈增益項(xiàng)，包含增益光纖和FSA的發(fā)射、吸收及腔內(nèi)損耗等，令其系數(shù)

(5)

在調(diào)Q啟動(dòng)的初始閾值處，腔內(nèi)的增益與損耗相等，即

K=0

(6)

由此計(jì)算可得，閾值處增益光纖摻雜離子上能級(jí)粒子數(shù)密度N2th為

(7)

此時(shí)，若要激光器實(shí)現(xiàn)脈沖輸出，則腔內(nèi)光子數(shù)密度Np的凈增益變化趨勢應(yīng)為正，即

(8)

忽略各能級(jí)的自發(fā)弛豫項(xiàng)及泵浦速率項(xiàng)，有

[σasNFSA-(σas+σes)N4]>0

(9)

初始狀態(tài)下應(yīng)有N4=0，將式(7)代入式(9)可得

(10)

(11)

即為FSA被動(dòng)調(diào)Q的判斷準(zhǔn)則。將其定義為增益光纖和FSA的耦合比C，即

(12)

由式(12)可知，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的被動(dòng)調(diào)Q，必須有C>1。而系統(tǒng)耦合比C可通過改變摻雜離子吸收、發(fā)射截面和有效模場面積等手段來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

定義FSA和增益光纖的截面耦合比為

(13)

則在模場面積相同的情況下有

(14)

當(dāng)在信號(hào)光波長處截面耦合比不滿足式(14)時(shí)，F(xiàn)SA的吸收速率較低，下能級(jí)粒子數(shù)就會(huì)被迅速漂白，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)Q。此時(shí)，需要采用相應(yīng)的手段來提高FSA對(duì)信號(hào)光的吸收速率。常用的方法是引入模場面積失配，使FSA的纖芯小于增益光纖的纖芯，從而提高FSA中信號(hào)光的強(qiáng)度，以達(dá)到提高吸收速率的目的。該方法最早由我國臺(tái)灣成功大學(xué)Tsai研究組于2009年提出，并在摻鉺光纖激光器中得到了成功應(yīng)用[43]。

2FSA在光纖激光器調(diào)Q中的應(yīng)用進(jìn)展

表1列出了常見的摻雜FSA及已實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制的光纖激光器。表1中，摻鉺光纖(激光器)也包含鉺鐿共摻光纖(激光器)，摻銩光纖(激光器)也包含銩鈥共摻光纖(激光器)。另外，由于離子間的能量轉(zhuǎn)移躍遷，銩鈥共摻光纖的上能級(jí)有效壽命會(huì)小于摻銩光纖，鉺鐿共摻光纖的上能級(jí)有效壽命也會(huì)小于摻鉺光纖。由表1可知，到目前為止，多種FSA的脈沖調(diào)制特性已得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如摻銩光纖[36-38,44-49]、摻鉻光纖[9,50]、摻鈷光纖[51]、摻釤光纖[52-56]、摻鐿光纖[39-42]、摻鈥光纖[35,57-60]、摻鉍光纖[61]及摻鉺光纖[31-34,43,62]等。利用這些FSA，已實(shí)現(xiàn)了對(duì)摻鐿光纖激光器、摻釹光纖激光器、摻鉺光纖激光器、摻銩光纖激光器及摻鈥氟化物光纖激光器等不同摻雜光纖激光器的脈沖調(diào)制。下面針對(duì)摻雜FSA在寬帶被動(dòng)調(diào)Q、大能量被動(dòng)調(diào)Q和高重頻脈沖調(diào)制中的應(yīng)用情況進(jìn)行簡要介紹。

表1 常見的摻雜FSA及各自已實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制的光纖激光器Tab.1 Typical FSAs and related pulse modulated fiber lasers

2.1寬帶調(diào)Q

一些摻雜光纖具有很寬的吸收譜，可在一個(gè)較寬的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光器的脈沖調(diào)制，典型的如摻銩光纖。摻銩石英光纖的吸收光譜結(jié)構(gòu)如圖5所示[63]。由圖5可見，摻銩光纖在1 100 nm和1600 nm附近都有著很寬且較高的吸收，得益于較寬的吸收光譜，摻銩光纖可作為FSA，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鐿光纖激光器、摻鉺光纖激光器和摻銩光纖激光器的寬光譜范圍內(nèi)的脈沖調(diào)制。

圖5 摻銩石英光纖的吸收光譜結(jié)構(gòu)[63]Fig.5 Absorption spectra of Tm-doped silica fiber

2.1.1單波長可調(diào)諧被動(dòng)調(diào)Q

摻鐿光纖與摻銩FSA的截面耦合比隨波長的變化關(guān)系，如圖6所示[64]。結(jié)合式(14)中的穩(wěn)定調(diào)Q準(zhǔn)則，由圖6可見，模場面積相同時(shí)，1 055 nm以上的波長范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)Q。

圖6 摻鐿光纖與摻銩FSA的截面 耦合比隨波長的變化關(guān)系[64]Fig.6 Cross section coupling ratio between Yb-doped fiber and Tm-doped FSA vs. λ

2003年，德國漢諾威激光中心的Adel研究小組在摻鐿光纖中共摻銩離子，利用銩離子在1.1 μm處的激發(fā)態(tài)吸收，在空間耦合的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)摻鐿光纖激光器的寬帶穩(wěn)定被動(dòng)調(diào)Q，基于銩離子共摻的被動(dòng)調(diào)Q摻鐿光纖激光器光路結(jié)構(gòu)如圖7所示[65]。其中，HWP為半波片；QWP為四分之一波片；PBS為偏振分束鏡；FR為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；M為鏡片。實(shí)驗(yàn)中，該激光器使用975 nm LD進(jìn)行泵浦，通過旋轉(zhuǎn)光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出波長的連續(xù)調(diào)節(jié)。激光器系統(tǒng)在1 055～1 090 nm的寬光譜范圍內(nèi)均能獲得穩(wěn)定調(diào)Q輸出，與圖6中給出的耦合比數(shù)據(jù)一致。

圖7 基于銩離子共摻的被動(dòng)調(diào)Q 摻鐿光纖激光器光路結(jié)構(gòu)[65]Fig.7 Passively Q-switched Yb-doped fiber laser based on Tm ions codoping[65]

由圖6還可見，摻鐿光纖與摻銩FSA的截面耦合比最低點(diǎn)位于1 030 nm處，若該處可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定被動(dòng)調(diào)Q，則在摻鐿光纖整個(gè)有效發(fā)射譜內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脈沖調(diào)制。為擴(kuò)展摻銩FSA對(duì)摻鐿光纖的穩(wěn)定調(diào)Q波長范圍，2020年，我國臺(tái)灣成功大學(xué)Tsai等[64]利用模場面積失配來提高增益光纖與FSA的模場面積比，在摻鐿光纖與摻銩FSA耦合比最低的1 030 nm處實(shí)現(xiàn)了摻鐿光纖激光器的穩(wěn)定調(diào)Q輸出，驗(yàn)證了摻銩光纖在1 000～1 150 nm范圍內(nèi)對(duì)摻鐿光纖激光器的寬帶調(diào)Q特性。

利用摻銩FSA在1 600 nm波段的寬帶吸收特性也可實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鉺光纖激光器的寬帶被動(dòng)調(diào)Q。摻鉺光纖與摻銩FSA的截面耦合比隨波長的變化關(guān)系，如圖8所示。其中，EDF為摻鉺光纖；TDF為摻銩光纖。由圖8可見，不考慮模場面積的情況下，在1 542.8 nm以上的波長范圍內(nèi)，摻銩FSA都可實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鉺光纖激光器的穩(wěn)定被動(dòng)調(diào)Q。

圖8 摻鉺光纖與摻銩FSA的截面耦合比Fig.8 Coupling ratio between Er-doped fiber and Tm-doped FSA

2018年，Tao等[66]使用銩鈥共摻光纖作為FSA，并結(jié)合模場面積失配，在1 540.5～1 567.8 nm的波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)摻鉺光纖激光器的穩(wěn)定被動(dòng)調(diào)Q。激光器采用了圖3(b)中所示的環(huán)形腔光路結(jié)構(gòu)，使用一個(gè)可調(diào)諧FP腔作為濾波器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光器輸出波長的連續(xù)可調(diào)。激光器在不同波長處的調(diào)Q輸出重頻特性，如圖9所示。由圖9可見，由于發(fā)射截面和吸收截面不同，不同波長處的耦合比也不相同，導(dǎo)致輸出也存在較大差異。具體表現(xiàn)為，隨著激光輸出波長的增加，耦合比逐漸變大；泵浦功率相同時(shí)，激光器的輸出重頻降低，而脈沖能量增加；激光器的穩(wěn)定調(diào)Q泵浦功率范圍也明顯擴(kuò)大。

(a)Repetition rate and pulse energy with 50 mW pump vs. λ

(b)Pump power range for stable Q-switching vs. λ

2.1.2多波長被動(dòng)調(diào)Q

鑒于摻銩光纖對(duì)摻鉺光纖激光器在1 600 nm波段的寬帶被動(dòng)調(diào)Q特性，若激光器的濾波器為周期性的多波長濾波結(jié)構(gòu)，則激光器還可實(shí)現(xiàn)多波長被動(dòng)調(diào)Q輸出。

2015年，Tao等[67]通過在激光器諧振腔內(nèi)引入“單模-多模-單?！钡目臻g拍頻結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)摻鉺光纖激光器的多波長脈沖調(diào)制。實(shí)驗(yàn)中使用了一段銩鈥共摻光纖作為可飽和吸收體，該光纖在2 000 nm波段是單模光纖，但在1 600 nm波段可支持2個(gè)橫模傳輸。這樣，激光信號(hào)從單模光纖進(jìn)入銩鈥共摻光纖后會(huì)產(chǎn)生2個(gè)模式的信號(hào)光，分別為LP01和LP11。設(shè)2個(gè)模式在光纖內(nèi)傳輸?shù)挠行д凵渎史謩e為neff01和neff11，則二者的相位偏移可分別表示為φ01和φ11

(15)

其中，Ls為FSA長度；λ為激光信號(hào)波長。

當(dāng)FSA內(nèi)的多模信號(hào)光耦合進(jìn)入單模光纖時(shí)，2種模式的信號(hào)光會(huì)產(chǎn)生拍頻耦合，電場強(qiáng)度可表示為

E=k01exp(iφ01)+γk11exp(iφ11)

(16)

其中，k01和k11分別為2種模式的耦合系數(shù)；γ為高階模的激發(fā)系數(shù)。

對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)為

(17)

其中，余弦項(xiàng)表明光強(qiáng)為一個(gè)與波長有關(guān)的周期分布，宏觀上表現(xiàn)為一個(gè)濾波結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)FSA的長度即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該濾波結(jié)構(gòu)的周期調(diào)節(jié)。結(jié)合激光器的增益譜和吸收譜，即可計(jì)算得到該激光器的發(fā)射光譜結(jié)構(gòu)，如圖10(a)所示。圖10(b)為實(shí)驗(yàn)測得的激光發(fā)射譜。對(duì)比可見，二者具有相同的變化趨勢。

(a)Simulation results

(b)Experimental results

2019年，在空間拍頻濾波結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，墨西哥研究人員[68]通過引入對(duì)摻銩光纖的增益開關(guān)泵浦，同時(shí)獲得了1 600 nm波段的多波長被動(dòng)調(diào)Q輸出和1 900 nm波段的單波長增益開關(guān)調(diào)Q輸出，使單臺(tái)光纖激光器的輸出覆蓋了更寬的光譜范圍。

2.2高重頻調(diào)Q

利用FSA還可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光器的高重頻脈沖調(diào)制。

2.2.1短壽命FSA的調(diào)Q

FSA的恢復(fù)時(shí)間由摻雜離子的能級(jí)壽命決定。一些摻雜光纖中摻雜離子的上能級(jí)壽命很短，如摻釤光纖，利用其快速弛豫特性就可獲得高速脈沖調(diào)制。2012年，Preda等[69]使用一段長約10 cm的摻釤光纖作為FSA，實(shí)現(xiàn)了500 kHz重頻的被動(dòng)調(diào)Q摻鉺光纖激光器，這是目前文獻(xiàn)報(bào)道的FSA被動(dòng)調(diào)Q的最高重頻。類似，使用摻鉻FSA和摻銩FSA(3F4→3F2,3能級(jí)躍遷對(duì)應(yīng)的激發(fā)態(tài)吸收過程)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)一些光纖激光器數(shù)百千赫的被動(dòng)調(diào)Q[70-71，65]。

2.2.2長壽命FSA的調(diào)Q

事實(shí)上，F(xiàn)SA所使用的摻雜光纖多是作為激光器的增益物質(zhì)來開發(fā)使用的，因此，上能級(jí)壽命一般都較長，如表1所列。當(dāng)FSA的恢復(fù)時(shí)間大于脈沖間隔時(shí)間時(shí)，F(xiàn)SA基態(tài)能級(jí)粒子數(shù)就無法完全恢復(fù)，導(dǎo)致調(diào)Q性能惡化，影響激光器在高重頻脈沖調(diào)制下的激光提取效率。

2010年，我國臺(tái)灣成功大學(xué)Tsai等[72]在利用摻銩光纖作為可飽和吸收體對(duì)摻鉺光纖激光器進(jìn)行被動(dòng)調(diào)Q時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重頻高于2 kHz時(shí)，脈沖能量出現(xiàn)下降現(xiàn)象。這主要是受限于銩離子較長的上能級(jí)壽命，當(dāng)激光器重頻較高時(shí)，銩離子基態(tài)能級(jí)粒子數(shù)無法得到完全恢復(fù)，使吸收能力降低造成的。這樣，鉺離子在增益較少時(shí)，布居數(shù)即可實(shí)現(xiàn)振蕩，從而降低了脈沖能量。要克服這一缺陷，就需對(duì)摻雜離子的有效上能級(jí)壽命進(jìn)行壓縮[73]。解決這一問題的有效方法是將FSA單獨(dú)成腔形成激光振蕩，即激光器采用雙腔結(jié)構(gòu)，這樣FSA的上能級(jí)粒子也能通過受激發(fā)射躍遷回到基態(tài)能級(jí)，從而極大地壓縮了FSA的恢復(fù)時(shí)間。該方法最早由俄羅斯科學(xué)院Dvoyrin等[61]于2007年提出，并在Yb-Bi光纖激光器中得到了應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)中該激光器輸出重頻最高可達(dá)100 kHz。雙腔結(jié)構(gòu)的調(diào)Q脈沖激光器典型結(jié)構(gòu)，如圖11所示[73]。其中，摻鉍光纖為可飽和吸收體，并封閉在一個(gè)諧振腔內(nèi)單獨(dú)振蕩，這樣該系統(tǒng)內(nèi)就存在2個(gè)激光器，即摻鐿光纖激光器和摻鉍光纖激光器。系統(tǒng)中，摻鉍光纖既是FSA，實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鐿光纖激光器的脈沖調(diào)制；又是增益光纖，實(shí)現(xiàn)摻鉍光纖激光器的振蕩出光。

圖11 雙腔結(jié)構(gòu)的調(diào)Q脈沖激光器典型結(jié)構(gòu)Fig.11 Typical Q-switched laser with double-cavity configuration

實(shí)驗(yàn)中，研究人員還對(duì)激光器在單腔和雙腔結(jié)構(gòu)下的輸出特性進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，F(xiàn)SA單獨(dú)成腔能擴(kuò)展摻鐿光纖激光器穩(wěn)定調(diào)Q的光譜和泵浦功率范圍，并顯著提高摻鐿光纖激光器的脈沖能量、峰值功率和出光效率。

近年來，Tao等[74-75]對(duì)雙腔結(jié)構(gòu)的脈沖調(diào)制光纖激光器開展了數(shù)值模擬工作。模擬結(jié)果表明，雙腔結(jié)構(gòu)不僅極大壓縮了FSA中摻雜離子的有效上能級(jí)壽命，提高FSA在高重頻脈沖調(diào)制下的可飽和吸收性能，從而提高激光器的能量提取效率，還有效擴(kuò)展了激光器穩(wěn)定調(diào)Q的運(yùn)行區(qū)間。這一結(jié)論與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

在雙腔結(jié)構(gòu)高重頻調(diào)Q實(shí)驗(yàn)研究方面，中國科學(xué)院上海光學(xué)與精密機(jī)械研究所和北京工業(yè)大學(xué)也取得了較大進(jìn)展。2014年，上海光學(xué)與精密機(jī)械研究所周軍等在Yb-Sm雙腔結(jié)構(gòu)激光器中觀察到了傳統(tǒng)被動(dòng)調(diào)Q和受激布里淵散射調(diào)Q2種脈沖調(diào)制模式[76]。2種模式下激光器輸出脈沖最高重頻均在100 kHz以上。2015年，北京工業(yè)大學(xué)王璞等使用2段相同型號(hào)的雙包層鉺鐿共摻光纖分別作為增益光纖和FSA，利用雙腔結(jié)構(gòu)在1 600 nm波段獲得了最高156 kHz的穩(wěn)定脈沖輸出[77]。

2.3大能量調(diào)Q

傳統(tǒng)的SESAM、碳納米管及石墨烯等可飽和吸收體在使用時(shí)都是通過一層薄薄的材料對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行吸收，可視為一個(gè)2維面吸收，損傷閾值較低。而FSA本身就是一段摻雜光纖，基質(zhì)一般為石英光纖，它對(duì)激光信號(hào)的吸收是一個(gè)3維體吸收，損傷閾值極高。

2010年，俄羅斯科學(xué)院普通物理研究所Kurkov課題組[78]使用6 cm長的摻銩光纖作為可飽和吸收體，在如圖3(a)所示的簡單的線形腔中實(shí)現(xiàn)了對(duì)GTWave雙包層摻鉺光纖激光器的穩(wěn)定被動(dòng)調(diào)Q。該激光器輸出脈寬為100 ns，單脈沖能量達(dá)0.35 mJ，可直接應(yīng)用于超連續(xù)譜輸出、激光打標(biāo)及激光微刻等領(lǐng)域[79]，展現(xiàn)出摻雜FSA無可比擬的大能量脈沖輸出優(yōu)勢。

與摻鉺光纖激光器相比，摻鐿光纖激光器是獲得大能量激光脈沖輸出的一個(gè)更為重要的光源。在1 000 nm波段有較強(qiáng)吸收的摻雜光纖包括摻鉍光纖、摻鈥光纖和摻釤光纖等，使用這些摻雜光纖作為可飽和吸收體均可實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鐿光纖激光器的大能量脈沖調(diào)制。不同F(xiàn)SA獲得的大能量脈沖調(diào)制光纖激光器信息如表2所列。由表2可知，利用摻釤光纖、摻鈥光纖和摻鉍光纖作為可飽和吸收體都可實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鐿光纖激光器的大能量脈沖調(diào)制，脈沖能量近100 μJ。

表2 FSA大能量脈沖調(diào)制光纖激光器

事實(shí)上，由于摻鐿光纖的發(fā)射譜與吸收譜有較大的重疊，且獲取較為方便，研究人員更傾向于直接使用摻鐿光纖作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鐿光纖激光器的大能量脈沖調(diào)制。

2012年，Dvoyrin[81]使用摻鐿光纖作為可飽和吸收體，利用圖11所示的雙腔結(jié)構(gòu)在GTWave雙包層摻鐿光纖激光器中獲得了脈寬為125 ns、峰值功率為3 kW、單脈沖能量為0.55 mJ的大能量脈沖輸出。這是目前使用FSA脈沖調(diào)制直接輸出獲得的最高單脈沖能量。

在大能量脈沖調(diào)制方面，北京工業(yè)大學(xué)王璞教授團(tuán)隊(duì)代表著國內(nèi)最高水平。2013年，采用與圖11類似的雙腔結(jié)構(gòu)，使用7/125雙包層摻鐿光纖作為增益物質(zhì)，5/130雙包層摻鐿光纖作為FSA，獲得了62 μJ的調(diào)Q脈沖輸出，對(duì)應(yīng)的峰值功率約為1.4 kW[82]。2015年，該團(tuán)隊(duì)通過使用10/130雙包層摻鐿光纖來增大增益光纖和FSA的尺寸，脈沖能量提高到了187 μJ；繼續(xù)提高光纖芯徑到20 μm，單脈沖能量達(dá)到了484 μJ，對(duì)應(yīng)的峰值功率約為3.4 kW[83]。

綜上所述，與傳統(tǒng)的可飽和吸收體(如SESAM、碳納米管及石墨烯等)相比，F(xiàn)SA在高能量脈沖的直接產(chǎn)生上具有無可比擬的顯著優(yōu)勢。

3結(jié)語

得益于FSA結(jié)構(gòu)簡便、損傷閾值極高及成本低廉等優(yōu)勢，摻雜FSA在光纖激光器被動(dòng)調(diào)Q中的應(yīng)用研究受到了越來越多的關(guān)注，各種激光技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。隨著新型摻雜材料的不斷涌現(xiàn)，結(jié)合模場面積失配和雙腔結(jié)構(gòu)等技術(shù)手段，F(xiàn)SA的應(yīng)用波長范圍不斷拓展，涵蓋了常見的1 100 ，1 600 ，2 000 nm等波段；可飽和吸收性能也得到了不斷提升，尤其是在光纖激光器的寬帶調(diào)Q、高重頻調(diào)Q和大能量調(diào)Q等領(lǐng)域都表現(xiàn)出了優(yōu)異的脈沖調(diào)制特性。目前，基于FSA的被動(dòng)調(diào)Q光纖激光器單脈沖直接輸出能量可達(dá)數(shù)百微焦，平均功率可達(dá)數(shù)十瓦，峰值功率在數(shù)千瓦量級(jí)，重頻可達(dá)數(shù)百千赫。

摻雜FSA的后續(xù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)圍繞性能提升與應(yīng)用拓展進(jìn)行。一方面，將持續(xù)探索更高重頻的脈沖輸出，如鎖模。事實(shí)上，目前已有了一些使用FSA實(shí)現(xiàn)光纖激光器被動(dòng)鎖模的報(bào)道，但鎖模脈沖特性還有待進(jìn)一步提升[84-88]。另一方面，中紅外波段摻雜光纖的可飽和吸收特性研究及脈沖調(diào)制應(yīng)用還未得到充分的探索。此外，新型摻雜材料及共摻材料的出現(xiàn)將不斷擴(kuò)展FSA的應(yīng)用范圍，帶來新的活力。