陸寶樂，陳程，林啟蒙，張朝陽，郎嘉靖，白晉濤

（1 西北大學光子學與光子技術(shù)研究所，省部共建西部能源光子技術(shù)國家重點實驗室，西安 710127）

（2 國家級光電技術(shù)與納米功能材料國際聯(lián)合研究中心，西安 710127）

（3 陜西省全固態(tài)激光及應用工程技術(shù)研究中心，陜西省光電子技術(shù)重點實驗室，西安 710127）

0 引言

超短脈沖激光器具有輸出脈寬窄、峰值功率高、光譜寬等特點，在阿秒科學、精密制造、生物醫(yī)療、量子通訊以及國防軍事等方面應用廣泛［1-3］。相較于傳統(tǒng)固體激光器，光纖作為柔性波導，擁有體積小、無需準直、光束質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)勢，超短脈沖光纖激光器成為超快激光領(lǐng)域的前沿熱點研究方向之一，也為科研人員提供了一個理想的研究非線性效應的平臺。由于光纖纖芯在微米量級，功率密度提高不可避免會產(chǎn)生色散和各類不同的非線性現(xiàn)象，光在其內(nèi)傳輸時就會對脈沖演化產(chǎn)生重要影響［4］。事實上，累積過多的非線性相移不利于產(chǎn)生穩(wěn)定的超短脈沖，因此平衡諧振腔內(nèi)色散與非線性，增益與損耗間的相互作用是實現(xiàn)超短脈沖輸出的關(guān)鍵。為實現(xiàn)皮秒或者飛秒量級的超短脈沖輸出，通過一定方式將激光器諧振腔中各個縱模相位關(guān)系固定形成周期性的脈沖序列的鎖模技術(shù)［5］是一種有效手段。通過精細控制諧振腔腔內(nèi)的凈色散，大致可分為負色散、色散管理以及正色散腔三類鎖模光纖激光器，分別對應產(chǎn)生擁有凱莉邊帶的傳統(tǒng)孤子、無邊帶平滑包絡的色散管理孤子或自相似孤子以及陡峭光譜邊沿的耗散孤子［6］。

激光器常用的鎖模方式一般分為主動鎖模和被動鎖模。主動鎖模需要在諧振腔內(nèi)增加調(diào)制器件，利用射頻信號對光場實現(xiàn)周期性的幅度或相位調(diào)制。這種鎖模方式很容易獲得高重復頻率的脈沖，在通信領(lǐng)域有著巨大應用潛力。主動鎖模存在較大缺陷，調(diào)制器增加了腔型結(jié)構(gòu)復雜程度，成本高昂，同時脈沖窄化程度受到調(diào)制器件自身響應時間影響，很難產(chǎn)生穩(wěn)定的飛秒級超短脈沖。被動鎖模技術(shù)的思路同樣是對脈沖進行調(diào)制。不同之處在于，被動鎖模技術(shù)僅利用增益材料本身的非線性效應或者可飽和吸收體（Saturable Absorber，SA）的吸收特性，腔內(nèi)無需額外的調(diào)制器即可產(chǎn)生超短脈沖。相較于主動鎖模技術(shù)，被動鎖模激光器結(jié)構(gòu)更加緊湊、簡單，輸出脈沖可達到飛秒量級。

被動鎖模技術(shù)由于自身優(yōu)勢，在目前產(chǎn)生超短光脈沖的技術(shù)中應用最廣，研究最多。經(jīng)過研究人員不懈努力，發(fā)展了不同方式的被動鎖模技術(shù)，包括：非線性光纖環(huán)形鏡［7］、非線性偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)［8］、低維納米材料飽和吸收體［9-10］、半導體可飽和吸收鏡［11］、非線性多模干涉［12］、Mamyshev 振蕩器［13］以及時空鎖模［14］等?？娠柡臀阵w是一種具有確定損耗的元器件，利用可飽和吸收體對輸入脈沖的強度依賴特性可在腔內(nèi)產(chǎn)生脈沖的自幅度調(diào)制。由于脈沖前后沿及峰值處的強度不同，當脈沖在腔內(nèi)循環(huán)經(jīng)過增益介質(zhì)，不同部分得到的增益也不同，會出現(xiàn)存在能量強弱差別的脈沖。當脈沖撞擊可飽和吸收體時，非線性吸收效應會濾掉低能量脈沖而幾乎無損通過高能量脈沖，在這個過程中脈沖得到窄化且相位趨于固定。脈沖在腔內(nèi)多次循環(huán)，脈沖的前后沿會持續(xù)衰減直至激光器達到穩(wěn)定狀態(tài)。可飽和吸收體的幾個重要參數(shù)包括響應波長范圍、可飽和強度、弛豫時間（從漂白狀態(tài)恢復時間）以及調(diào)制深度。因此，選擇適當?shù)目娠柡臀阵w才能實現(xiàn)自啟動，穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出。為進一步理解超短脈沖光纖激光器的研究和應用，本文綜述了目前不同類型可飽和吸收體被動鎖模光纖激光器的研究進展，包括近幾年出現(xiàn)的新鎖模技術(shù)，闡述了各自的原理以及技術(shù)優(yōu)勢，并對超短脈沖光纖激光器的應用前景和發(fā)展趨勢進行了展望。

1 非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)

非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）指利用非線性光學效應對輸入脈沖的強度依賴性，通過一定方式控制脈沖偏振態(tài)并通過檢偏器進行偏振選擇產(chǎn)生超短脈沖。典型的NPR 鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)如圖1［15］。核心器件主要由偏振控制器（Polarization Controller，PC）和偏振相關(guān)光隔離器構(gòu)成。其基本原理為利用隔離器產(chǎn)生單向線性偏振光，調(diào)節(jié)PC2 得到橢圓偏光，利用光纖中的非線性效應改變脈沖的偏振態(tài)。通過PC1 配合隔離器形成等效可飽和吸收體濾掉脈沖低能量部分，多次在腔內(nèi)循環(huán)實現(xiàn)脈沖的窄化，輸出超短激光脈沖。

1992年，英國南安普頓大學MATSAS V J 課題組［16］將NPR 技術(shù)引入光纖激光器中實現(xiàn)了自啟動鎖模，整個諧振腔為全光纖結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)光譜帶寬為1.68 nm，脈寬為1.55 ps 的鎖模脈沖輸出。除了全光纖結(jié)構(gòu)外，NPR 鎖模光纖激光器還可以使用空間透鏡和光纖結(jié)合的方式構(gòu)建諧振腔，典型的結(jié)構(gòu)如圖2［17］。空間光路中四分之一波片可以將任意偏振態(tài)的光變?yōu)榫€偏振光，二分之一波片用于改變偏振光的偏振方向，兩者的組合可以起到等效檢偏器的作用；偏振光束分束器可以將光調(diào)節(jié)為線偏振光，相當于起偏器。

NPR 鎖模激光器從20世紀末提出到現(xiàn)在一直是超快激光器領(lǐng)域的研究熱點，近些年在輸出光譜帶寬，壓縮脈沖寬度，提高輸出功率，提升重復頻率方面取得了突破性的進展。

2010年，北京大學張志剛課題組利用NPR 鎖模技術(shù)結(jié)合腔外棱鏡對壓縮脈沖，在摻鉺光纖激光器中實現(xiàn)了37.4 fs 的超短脈沖輸出。由于諧振腔中使用了尾纖僅5～7 cm 的迷你光纖準直器以及厚度僅2 mm 的法拉第隔離器，極大地縮短了腔長，脈沖重復頻率高達225 MHz［18］。2013年，波蘭弗羅茨瓦夫工業(yè)大學KREZEMPEK K 課題組在全光纖NPR 摻鉺鎖模光纖激光器中將隔離器、波分復用器以及輸出耦合器集成為一個三合一器件，實現(xiàn)了脈沖寬度93 fs，重復頻率205 MHz 的超短脈沖輸出［19］。2015年，上海交通大學鄒衛(wèi)文課題組利用NPR 和半導體可飽和吸收鏡（Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM）混合鎖模機制，通過優(yōu)化諧振腔內(nèi)色散和非線性，實現(xiàn)了穩(wěn)定的寬譜諧波鎖模脈沖輸出，最高實現(xiàn)了穩(wěn)定的8 階諧波鎖模，信噪比大于75 dB，邊模抑制比60 dB，重復頻率666.7 MHz，光譜帶寬最大為181 nm，壓縮后脈沖寬度91 fs［20］。由于鎖模光纖激光器已經(jīng)能夠產(chǎn)生脈沖能量在納焦量級，兆赫茲重頻的亞百飛秒脈寬，為了進一步提高鎖模脈沖的重復頻率，2016年，德國馬克斯普朗克光學研究所PANG M 等利用NPR 技術(shù)在全光纖激光器中實現(xiàn)了亞百飛秒，1.87 GHz 重頻的超短脈沖輸出，實驗裝置如圖3。該工作中，通過插入色散補償光纖來進行色散管理，利用在線起偏器和色散補償光纖組合引入光譜濾波效應，實現(xiàn)了寬帶的展寬孤子輸出。這種展寬孤子的脈沖能量比傳統(tǒng)的展寬脈沖和耗散孤子低一個數(shù)量級，但時域呼吸比提高了10 倍，這種特性十分適合用來產(chǎn)生高重頻超短脈沖［21］。

為了進一步簡化NPR 鎖模光纖激光器的腔型結(jié)構(gòu)，提高其緊湊性，2017年，北京工業(yè)大學宋晏蓉課題組在基于NPR 技術(shù)的摻鐿光纖激光器中，空間部分僅使用了一個偏振光束分束器作為輸出端，無任何PC 件以及濾波器，縮短了空間光路，通過改變光纖的狀態(tài)即可實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出［22］。在NPR 鎖模光纖激光器平均功率輸出方面，2019年，山東師范大學張華年課題組將全光纖NPR 摻鉺鎖模激光器的平均輸出功率提高到174 mW［23］。2022年，東京大學ZHAO Z H 等通過色散補償，在NPR 摻鐿光纖激光器中實現(xiàn)了寬譜自相似孤子輸出，10 dB 帶寬可達115 nm，平均輸出功率105 mW，這對于設計寬譜鎖模光纖激光器有一定的參考意義［24］。同年南京科技大學李麗課題組通過將NPR 技術(shù)集成到Dy：ZBLAN 光纖激光器中證明了在575 nm 處的耗散孤子共振脈沖，是迄今為止基于光纖鎖模激光器能實現(xiàn)穩(wěn)定鎖模運轉(zhuǎn)的最短中心波長。激光器平均輸出功率最大達到240 mW，重頻為100 MHz，輸出最大脈沖能量為2.4 nJ，最小脈寬為83 ps［25］。

可以看出，基于NPR 技術(shù)鎖模光纖激光器的研究從未停止，但不可否認這類鎖模激光器存在很大的限制。主要因為傳統(tǒng)全光纖腔內(nèi)的NPR 鎖模技術(shù)是采用標準的單模光纖，由于非線性克爾效應，橢圓偏振的主軸隨著在光纖中的傳輸而旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與光強有關(guān)，等效為類可飽和吸收體。因此，需要精確調(diào)節(jié)PC 來選擇合適的偏振狀態(tài)滿足實際需求。這種鎖模方式對熱以及機械應力很敏感，導致激光器對環(huán)境擾動的抗干擾能力較差?？蒲腥藛T在實驗中引入保偏光纖以獲得高穩(wěn)定性的光纖激光器。1993年，美國密歇根大學FERMANN M E 等率先構(gòu)建了基于NPR 的全保偏法布里-珀羅型摻鉺超快光纖激光器，產(chǎn)生了脈寬短至200 fs，單脈沖能量為70 pJ，重復頻率為100 MHz 的超短脈沖輸出，證明了在NPR 光纖激光器中利用保偏光纖可以實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出［26］。2016年，山東大學卓壯課題組采用交叉熔接的方法補償腔內(nèi)雙折射效應，在基于保偏光纖的NPR 鎖模光纖激光器中成功實現(xiàn)了超短脈沖輸出。實驗裝置如圖4，交叉熔接的原理是將一段保偏光纖的快（慢）軸與另一端保偏光纖的慢（快）軸進行交叉熔接，當兩端保偏光纖的長度和雙折射參數(shù)合理匹配，可以極大地消除光纖雙折射的影響，最終得到了單脈沖能量為2.1 nJ，脈沖寬度為11.7 ps 的超短脈沖輸出［27］。

雖然交叉熔接方式已經(jīng)被證明可以在NPR 光纖激光器中實現(xiàn)鎖模脈沖輸出，但是諧振腔內(nèi)還存在固體器件，且輸出脈沖寬度未到飛秒量級。2017年波蘭科學院STEPANENKO Y 課題組在全光纖NPR 鎖模激光器中采用全保偏光纖來代替單模光纖實現(xiàn)飛秒脈沖輸出，結(jié)構(gòu)如圖5，在摻鐿光纖激光器中采用交叉熔接方式實現(xiàn)了基頻為20.54 MHz，信噪比超過80 dB，脈寬150 fs 的超短脈沖輸出［28］。

2018年華東師范大學李文雪課題組通過設置適當?shù)娜劢咏嵌?，在實驗中搭建了一種NPR 鎖模技術(shù)的保偏摻鐿光纖激光器，獲得了重頻為111 MHz，脈沖能量為0.47 nJ 的激光輸出［29］。這項工作證明了全保偏NPR 光纖激光器對環(huán)境影響有很強的抵抗能力，擁有相當好的穩(wěn)定性，測試的時間抖動和相對強度噪聲分別為6.41 fs 和0.005 2%，良好的噪聲性能使這類激光器很有競爭力。

雖然NPR 鎖模方式響應時間快、損傷閾值高，但其中的偏振控制一直是一大難題。傳統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)偏振費時且低效，對于鎖模狀態(tài)的調(diào)節(jié)十分困難。尤其是激光器需要實現(xiàn)調(diào)Q 鎖模或高次諧波鎖模等特殊狀態(tài)時，進一步提高了對偏振調(diào)節(jié)精度的要求。NPR 光纖激光器的抗干擾能力差，鎖模狀態(tài)易受到外界擾動而無法穩(wěn)定保持，失鎖后無法及時恢復易損壞器件和設備。而自動鎖模技術(shù)的發(fā)展很好地解決了這一問題。

自動鎖模通常指的是利用計算機智能算法控制鎖模諧振腔中的電控器件來代替人在鎖模調(diào)節(jié)過程中的作用。自動NPR 鎖模的核心技術(shù)是通過智能算法和控制系統(tǒng)共同作用實現(xiàn)鎖模操作，智能系統(tǒng)檢測到腔內(nèi)的偏振態(tài)發(fā)生變化時，會快速調(diào)整偏振器件，消除外部環(huán)境對鎖模光纖激光器的干擾，該鎖模方式可以根據(jù)周圍環(huán)境變化更快地實現(xiàn)鎖模。2010年德國研究所HELLWIG T 課題組利用遍歷算法演示了自動鎖模技術(shù)，如圖6，加入壓電擠壓器的自動PC 算法來自動改變腔內(nèi)偏振狀態(tài)實現(xiàn)鎖模，成功地表征了NPR 全光纖摻鉺激光器［30］。

2012年，華東師范大學曾和平課題組基于遍歷算法，在NPR 摻鐿光纖激光器中實現(xiàn)了自動鎖模。實驗裝置如圖7，圖7（b）為激光器由自由運轉(zhuǎn)到穩(wěn)定鎖模時域波形演變圖。該工作將反饋方案引入自動鎖模領(lǐng)域，但在特殊條件下仍需要手動調(diào)節(jié)PC 來實現(xiàn)鎖模，該工作對自動鎖模技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響［31］。2014年，中國科學技術(shù)大學李莎等基于類似的工作原理，進一步縮短了實現(xiàn)初始鎖模的時間（＜90 s）［32］。

在后續(xù)的研究中，通過對算法的改進和優(yōu)化進一步推動了自動鎖模的發(fā)展，其中一項為基于機器學習算法，通過深度學習結(jié)構(gòu)和數(shù)值仿真的模型預控制結(jié)合，在仿真中成功實現(xiàn)自動鎖模［33-36］。另一項為基于最優(yōu)化算法，極大地縮短了尋找鎖模狀態(tài)的時間，是目前自動鎖模領(lǐng)域的熱點方向［37-45］。

自動鎖模技術(shù)的發(fā)展解決了傳統(tǒng)NPR 光纖激光器中偏振調(diào)節(jié)問題并提高了自主控制能力，縮短了鎖模時間，進一步提高了激光器穩(wěn)定性，對于NPR 鎖模光纖激光器的發(fā)展有重要影響。

2 非線性光纖環(huán)形鏡

非線性光纖環(huán)形鏡（Nonlinear Optical Loop Mirror，NOLM）和非線性放大環(huán)形鏡（Nonlinear Amplifying Loop Mirror，NALM）易獲得穩(wěn)定的超短脈沖輸出，擁有材料可飽和吸收體所不具備的損傷閾值高、響應速度快、不會隨時間推移性能衰退等優(yōu)點［46］。非線性光纖環(huán)形鏡的工作原理可以用圖8 中的模型來描述［47］，因為其形狀和數(shù)字8 接近，又稱為8 字腔。該模型由耦合器的一端兩段光纖相互熔接而成，耦合器的耦合比為α∶（1－α）。入射光E1經(jīng)過耦合器后，被分為傳輸方向不同，并且光場強度大小不一的兩束光，腔內(nèi)的非線性效應使兩束光獲得的相移量發(fā)生不均勻變化，最終實現(xiàn)脈沖窄化形成穩(wěn)定的鎖模運轉(zhuǎn)。對于NOLM 而言，采用這種鎖模方式前期需要對單模光纖的長度以及光纖耦合器的分光比進行合理的設計。NALM 在NOLM 的基礎(chǔ)上做了進一步的優(yōu)化，在雙向環(huán)中加入有源光纖，從而達到對兩束光的相移量進行操控，增益光纖的加入使NALM 可以在更短的環(huán)長下實現(xiàn)鎖模，提高輸出脈沖的重復頻率，也使鎖模自啟動變得容易。

自1991年，華盛頓海軍研究實驗室報道了基于NOLM 實現(xiàn)穩(wěn)定的傳統(tǒng)孤子脈沖鎖模光纖激光器以來，NOLM 鎖模光纖激光器被相繼報道［48］。2007年，西安光機所趙衛(wèi)課題組在基于NOLM 的8 字腔鎖模光纖激光器中實現(xiàn)了重復頻率為24 MHz 的色散管理孤子脈沖［49］。2008年，墨西哥光學和電子學研究所ESCAMILLA I 課題組實現(xiàn)了自啟動8 字腔鎖模光纖激光器。該設計基于功率平衡的NOLM，在環(huán)路中加入高度扭曲的低雙折射光纖和四分之一延遲器。通過設置四分之一延遲器角度來調(diào)節(jié)NOLM 的透過率從而實現(xiàn)自啟動鎖模。激光器能夠以0.78 MHz 的基頻產(chǎn)生約20 ps 的脈沖［50］。2014年，電子科技大學李劍峰課題組演示了一種基于NOLM 的摻銩全光纖自啟動鎖模激光器。在中心波長為2 017.33 nm 處產(chǎn)生了3 dB 帶寬為1.56 nm、重復頻率為1.5 MHz、脈沖能量為83.8 pJ 的穩(wěn)定孤子脈沖［51］。2018年，華南師范大學羅愛平課題組在摻鉺8 字腔中實現(xiàn)了共存的高斯型和矩形類噪聲脈沖，通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)泵浦功率以及PC，可以靈活地改變兩種脈沖出現(xiàn)的數(shù)量［52］。2020年，華南師范大學張慶茂課題組采用40/60 的NOLM 光譜濾波設計了一種全保偏振正色散鎖模光纖激光器，研究了輸入脈沖平均功率、光纖長度和耦合比對NOLM 光譜濾波效應的影響，實驗上驗證了NOLM 的光譜濾波效應，設計了NOLM 作為單獨光譜濾波器件的全保偏鎖模光纖激光器［53］。

為了提高NOLM 鎖模光纖激光器的環(huán)境穩(wěn)定性，研究人員逐漸把目光聚焦到全保偏8 字腔研究上。實現(xiàn)的關(guān)鍵點是將標準單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）替換為保偏光纖，用以提升激光器的環(huán)境穩(wěn)定性。2012年，奧克蘭大學AGUERGARAY C 課題組報道了第一臺全保偏光纖的8 字腔鎖模光纖激光器，該激光器可以視為由兩個獨立的部分組成，其中包括帶有有源光纖的單向環(huán)，可得到能量為0.3 nJ，脈寬為7.6 ps 的脈沖，通過腔外光柵對能壓縮至344 fs，如圖9。通過增加額外的光纖長度，可以在不顯著改變激光器輸出特性的情況下實現(xiàn)6～10 MHz 的重復率調(diào)諧。雙增益的加入可以更好地控制和更容易地實現(xiàn)鎖模運轉(zhuǎn)。由于所有組件都是保偏的，不會隨著時間的推移而退化，因此該激光器現(xiàn)已累計連續(xù)工作近3 000 h，鎖模操作沒有任何中斷或波動，證明了設計的穩(wěn)定性［54］。

同年，奧克蘭大學ERKINTALO M 課題組構(gòu)建了對熱應力和機械應力不敏感的全保偏鎖模光纖激光器，如圖10。數(shù)值模擬表明，通過在適當位置增加SMF 延長諧振腔，可以增大輸出振蕩器的能量和持續(xù)時間。同時，在實驗中展示了通過改變SMF 來控制輸出脈沖特性（能量、持續(xù)時間），在10 MHz、3.7 MHz、1.7 MHz 下實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模，相應的脈沖能量為2.3 nJ、10 nJ、16 nJ。圖11 中顯示了輸出脈沖時間隨著輸出功率的增加而變化。從圖11（a）可以看出，通過在諧振腔中加入不同長度的SMF 可使輸出脈沖脈寬不斷改變，但仍保持恒定的峰值功率。這在圖11（b）和（c）中也得到了證實。模擬輸出脈沖的能量和持續(xù)時間繪制為SMF 長度的函數(shù)，如圖12（a）?？梢钥吹捷敵瞿芰孔畛踉黾樱诠饫w長度為30 m 處開始飽和，然后突然轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性增長狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)變在圖12（b）所示的輸出光譜演變中也很明顯，這表明在特定SMF 長度下，振蕩器從一種鎖模狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種鎖模狀態(tài)［55］。

由于非線性相移在環(huán)中的積累不足，導致難以實現(xiàn)鎖模，需要通過一定方法提供足夠初始相移來啟動鎖模。目前常用的方式包括提高泵浦功率、增加主環(huán)中光纖長度或者加入非對稱互易元件等。加入非對稱互易元件的方法相比于其他兩種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、提高重復頻率等優(yōu)勢，受到了越來越多的關(guān)注。全光纖結(jié)構(gòu)的8 字腔為了獲得足夠的非線性相移在雙向環(huán)中加入大量SMF，從而使激光器的重復頻率普遍較低，無法使其在高重復頻率得到利用，如頻率梳等。近幾年來，對傳統(tǒng)8 字腔進行改進實現(xiàn)9 字腔結(jié)構(gòu)引起了科研人員的關(guān)注。從原理上講，9 字腔是在傳統(tǒng)8 字腔的基礎(chǔ)上，將次環(huán)打開，形狀非常像阿拉伯數(shù)字“9”，故稱之為9 字腔激光器。利用反射鏡將透射光再反射到主環(huán)中，仍屬于非線性環(huán)形鏡的結(jié)構(gòu)。相比于8 字腔，9 字腔的腔長更短，意味著脈沖重頻會得到提升，同時移除了環(huán)形器或者隔離器等器件，減少了諧振腔內(nèi)的插入損耗，激光器穩(wěn)定性得到優(yōu)化。但是隨著腔長的減少，非線性相移積累不足會更加明顯，激光器難以自啟動鎖模，需要采取其他手段進一步增加初始相移。

為了滿足高重復頻率的應用，目前最直接的方法為縮短腔長。2015年，天津大學胡明列課題組在全保偏改進8 字腔（如圖13（a））中加入了四分之一波片以及法拉第旋轉(zhuǎn)器作為非互易性元件實現(xiàn)了22.6 MHz 重復頻率下的孤子鎖模激光輸出，輸出平均功率為23.6 mW，直接輸出脈寬為308 fs。由于全保偏8 字腔中保偏熔接機在熔接兩段保偏光纖時對尾纖的長度存在一定的要求，所以很難縮短全保偏8 字腔中保偏光纖的長度，限制其重復頻率的提高。為了解決這個問題，該課題組搭建了非保偏9 字腔激光器，并將法拉第旋光器置于兩個四分之一波片之間使其可以提供一個初始相移。同時用30∶70 的光纖耦合器替代2×2 的光纖耦合器，進一步保證了非線性相移的積累，實驗裝置如圖13（b）。在泵浦功率為600 mW 時，得到了中心波長為1 564 nm，3 dB 帶寬為30 nm，重復頻率為80 MHz 的脈沖輸出［56］。

2018年，北京大學張志剛課題組引入部分空間器件，實現(xiàn)了更緊湊的9 字腔設計，如圖14。為了盡可能縮短腔長，整個激光器只采用了一段長度為90 mm 的非保偏高摻增益光纖，其他均為空間器件。此外，彎曲增益光纖的曲率半徑為22 mm，引入了0.39 dB 的損耗，對彎曲增益光纖進行偏振度測試，其偏振度保持在近99%。這種彎曲的增益光纖可以作為保偏光纖。最終，在710 mW 的泵浦功率下得到重復頻率為700 MHz，脈沖寬度為215 fs 的鎖模脈沖［57］。

2019年，日本名古屋大學NISHIZAWA N 等研究了色散管理全保偏摻鉺9 字腔光纖激光器（如圖15），系統(tǒng)研究了不同色散下9 字腔輸出特性，得益于9 字腔響應時間快、調(diào)制深度大，得到了穩(wěn)定的孤子、展寬脈沖以及耗散孤子。特別地，展寬脈沖輸出最窄脈寬為132 fs，光譜帶寬為46 nm［58］。

2020年，廈門大學羅正錢課題組搭建了635 nm 全光纖可見波長被動鎖模皮秒激光器（如圖16），采用共摻ZBLAN 光纖作為可見增益介質(zhì)，實現(xiàn)可見光波段光纖激光鎖模輸出。通過求解Ginzburg-Landau 方程，從理論上預測和分析了635 nm 鎖模脈沖在耗散孤子共振區(qū)域的形成和演化。該課題組還通過自制Pr/Yb 共摻ZBLAN 光纖的跳線高效地適配到SMF 上，降低損耗的同時提高了激光器的緊湊性，獲得中心波長為635.04 nm 的耗散孤子共振輸出，對應的3dB 帶寬小于0.1 nm，并且具有可調(diào)的皮秒持續(xù)時間（96～1 298 ps）。通過調(diào)整PC 和泵浦功率，實現(xiàn)了穩(wěn)定的類噪聲脈沖鎖模運轉(zhuǎn)，且脈沖寬度從590 ps 到1 434 ps可調(diào)［59］。

2022年，山東大學劉一州課題組采用大模場面積雙包層保偏光纖作為腔內(nèi)的增益介質(zhì)實現(xiàn)中心波長1 104 nm 的全保偏光纖鎖模激光器，實驗裝置如圖17。利用3.32 m 雙包層摻鐿光纖直接抑制了潛在的ASE，無需改變腔內(nèi)光譜濾波器，僅改變腔內(nèi)損耗即可將鎖模激光器的中心波長從1 034 nm 移動到1 104 nm。通過腔外壓縮實現(xiàn)傳輸和反射端口的脈沖持續(xù)時間分別為192 fs 和187 fs［60］。

NOLM 和NALM 已經(jīng)被廣泛地用作可飽和吸收器，因其較高的損傷閾值、易啟動、高環(huán)境穩(wěn)定性等優(yōu)點，被大量應用在鎖模光纖激光器中。但NOLM 鎖模方式對腔內(nèi)非線性相移的積累量要求較高，因此這類鎖模光纖激光器的重復頻率普遍較低。近幾年，科研人員通過進一步的研究，采用不同手段來增加初始相移并提高激光器的重復頻率，滿足工業(yè)生活中對高重復頻率特性的需求。此外，隨著改進全保偏8字腔和9 字腔的提出，其環(huán)境穩(wěn)定性和重復頻率得到極大的提升，擴展了NOLM 鎖模光纖激光器的應用空間。

3 非線性多模干涉

近年來，多模光纖由于損傷閾值高、價格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，引起了其作為可飽和吸收體的研究。多模光纖中，梯度折射率多模光纖（Graded Index Multimode Fiber，GIMF）與傳統(tǒng)的多模光纖不同，GIMF 中的所有導?？梢栽谔囟úㄩL下以幾乎相同的群速度傳播。這種幾何結(jié)構(gòu)與非線性偏振旋轉(zhuǎn)、非線性環(huán)形鏡、碳納米管等可飽和吸收體相比，插入損耗較小。基于非線性多模干涉鎖模原理如圖18［61］。光束在光纖中傳輸時由于非線性效應存在，不同光功率的折射率不同導致傳輸拍長發(fā)生變化，通過調(diào)整GIMF 的長度可以影響可飽和吸收效應。2013年，威斯康星大學MAFI A課題組對非線性多模干涉進行了詳細分析，提出單模-漸變折射率多模-單模（SMF-GIMF-SMF）的結(jié)構(gòu)，并對SMF-GIMF-SMF 幾何形狀作為非線性開關(guān)或飽和吸收體的可行性設計進行詳細分析。

2015年，天津大學史偉課題組報道了新型被動調(diào)Q 全光纖激光器（如圖19），采用SMF-GIMF-SMF 作為可飽和吸收體。在190～510 mW 的泵浦功率范圍內(nèi)，Er3+/Yb3+共摻光纖激光器在1 559.5 nm 處實現(xiàn)了穩(wěn)定的調(diào)Q 工作，重復頻率隨泵浦功率從14.1 KHz改變到35.2 KHz，脈沖寬度從5.69 μs減小到3.86 μs。在平均輸出功率為27.6 mW時，獲得的最大脈沖能量為0.8 μJ。這為實現(xiàn)調(diào)Q全光纖激光源提供了一種新的調(diào)制機制［62］。

2016年，韓國光州科學技術(shù)研究院SHIN W 課題組用碲化鉍沉積的空芯光纖制備了可飽和吸收體，如圖20（a）。該可飽和吸收體除了作為鎖模器件，同時也起到帶通濾波器的作用，最終實現(xiàn)了2 μm 波段被動鎖模光纖激光器，在重頻為8.58 MHz的情況下，得到輸出波長為1 958 nm，脈寬為46 ps的穩(wěn)定脈沖輸出［63］。

2017年，中國計量大學王兆坤等提出并演示了一種由SMF-SIMF-GIMF-SMF 結(jié)構(gòu)組成可飽和吸收體的鎖模激光器（如圖21）。圖22 為SIMF-GIMF 結(jié)構(gòu)示意圖。與理論上提出的SMF-GIMF-SMF 結(jié)構(gòu)相比，SIMF 的引入消除了GIMF 長度的限制，并提供了一種更靈活的基于非線性多模干涉效應的可飽和吸收體制作方法。將器件彎曲到一定狀態(tài)，可飽和吸收體的調(diào)制深度為3.16%。鎖模激光輸出脈寬為446 fs，3 dB帶寬為4.48 nm，重頻為11.73 MHz［64］。

同年，中國計量大學徐時清課題組采用類似的可飽和吸收體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了2 μm 全光纖鎖模激光器（如圖23）。180 mW 的泵浦閾值下實現(xiàn)了穩(wěn)定的鎖模運轉(zhuǎn)，輸出孤子脈沖的中心波長、光譜寬度、脈寬和重頻分別為1 888 nm、3.6 nm、1.4 ps 和19.82 MHz［65］。

2018年，中國計量大學王兆坤課題組利用GIMF 纖芯和包層的腐蝕特性不同，使用氫氟酸腐蝕光纖端面，在腐蝕端面上形成微孔，并將其兩端與SMF 熔接，構(gòu)建如圖24 的可飽和吸收體。在這種情況下，GIMF的長度沒有限制，意味著帶有內(nèi)部微腔的SMF-GIMF-SMF 結(jié)構(gòu)可以提供一種靈活的方式來產(chǎn)生超短脈沖。將SMF-GIMF-SMF 結(jié)構(gòu)彎曲到一定狀態(tài)時，可飽和吸收體的調(diào)制深度為1.9%，把該結(jié)構(gòu)引入如圖25的環(huán)形摻鉺光纖激光器中，產(chǎn)生了重頻為14.34 MHz，脈寬為528 fs 的超短脈沖［66］。

同年，中國計量大學王東寧課題組提出了拉伸GIMF 結(jié)構(gòu)作為摻鉺鎖模光纖激光器的可飽和吸收體（如圖26）。該工作詳細闡述了GIMF 可飽和吸收體的物理機制，將GIMF 拉伸到23.5 cm，調(diào)制深度可控（10.37%～22.27%），插入損耗小于2.2 dB。此外，還可以通過拉伸GIMF 來調(diào)整傳輸峰值。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了波長可切換摻鉺全光纖鎖模激光器，獲得了脈沖能量大于90 pJ的亞皮秒脈沖［67］。

2019年，中國計量大學王東寧課題組將一種無芯光纖（No-core Fibe，NCF）引入GIMF 結(jié)構(gòu)中，同時作為可飽和吸收體和高精度可調(diào)諧濾波器?；贜CF-GIMF 的可飽和吸收體調(diào)制深度為4.7%，飽和強度為0.14 μJ∕cm2。利用該器件，在如圖27 的摻鉺鎖模光纖激光器中僅通過拉伸光纖器件，就可以在正常色散區(qū)以可控的脈寬和光譜帶寬實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模運轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生了脈寬為7.7～23 ps 的孤子脈沖。實驗結(jié)果展示了NCF-GIMF 結(jié)構(gòu)器件在不同實驗要求下控制脈沖動力學的通用性和靈活性［68］。

2020年，中國科學技術(shù)大學許立新課題組將一段3 cm GIMF 與7 cm GIMF 進行錯位熔接，GIMF 的芯徑分別為62.5 μm、50 μm，得到如圖28 的SMF-GIMF-SMF 結(jié)構(gòu)，并將其作為可飽和吸收體與NPR 技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)混合鎖模。通過同時采用兩種不同的鎖模機制，激光器可以輸出更短的脈沖，具有高信噪比和低噪聲抖動等優(yōu)點。在110 mW 的泵浦功率下，產(chǎn)生了脈沖持續(xù)時間為1.8 ps、重復頻率為49.80 MHz的鎖模脈沖序列［69］。

2021年，該課題組又報道了一種基于非線性多模干涉效應的可切換單波長和雙波長全光纖超快鎖模激光器?？娠柡臀阵w結(jié)構(gòu)如圖29，由錐形光纖與GIMF 錐形光纖組成。錐形光的使用不僅減少了對GIMF長度的依賴，而且簡化了可飽和吸收體的制備?？娠柡臀阵w的調(diào)制深度為9%。通過適當調(diào)整腔內(nèi)損耗和PC 以實現(xiàn)穩(wěn)定的可切換單波長和雙波長鎖模。同時，可以觀察到單波長諧波鎖模，具有相同調(diào)制周期的中心波長可以在1 558 nm 到1 531 nm 之間切換［70］。

2022年，長春大學金亮課題組提出了一種錐形SMF-GIMF-SMF 的諧波鎖模新方法。將GIMF 和SMF 之間的拼接點進行錐形化，不僅縮短了自成像點的周期，消除了非線性多模干涉鎖模對多模長度的依賴，而且放寬了鎖模對光纖長度精確要求的限制。在摻鉺光纖激光器中引入如圖30 直徑為15 um 的錐形SMF-GIMF-SMF 作為光開關(guān)，以實現(xiàn)中心波長為1 558.38 nm，脈寬為1.52 ps，最大可達16 階諧波鎖模，相應的重頻為285 MHz 的穩(wěn)定諧波鎖模。隨著泵浦功率增加到125 mW、160 mW、190 mW、230 mW 和300 mW，諧波階數(shù)從基波到第2、4、6、7 和16 階單調(diào)變化，分別對應36 MHz、72 MHz、104 MHz、127 MHz 和285 MHz 的重復率。圖31（a）和圖31（b）分別顯示了四種不同的諧波階數(shù)和對應于每個諧波階數(shù)的脈寬。圖31（c）顯示了錐區(qū)SMS 的直徑為15 μm 時，第16 階諧波鎖模的信噪比可以穩(wěn)定在51 dB 左右。圖31（d）顯示了在不同時間觀察到的第16 階諧波鎖模的重復率，這驗證了諧波鎖模的穩(wěn)定性。這種基于錐形單模光纖的諧波鎖模方式為全光纖諧波鎖模激光器的應用提供了新的思路［71］。

相對于其他鎖模方式，多模光纖可飽和吸收體具有全光纖集成、性能穩(wěn)定、價格低、調(diào)制深度可控以及波長可調(diào)諧等優(yōu)點，這種全光纖結(jié)構(gòu)的鎖模光纖激光器為高功率、輕便化的鎖模光纖激光器提供一種新的解決辦法以及更大的應用前景。因此，深入研究多模光纖鎖模光纖激光器具有重要意義。

4 納米材料可飽和吸收體鎖模技術(shù)

基于低維納米材料可飽和吸收體的被動鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可產(chǎn)生飛秒量級超短脈沖，是目前鎖模光纖激光器研究熱點方向之一［72］。低維納米材料可飽和吸收體的工作原理如圖32［73］。材料對入射光的吸收能力取決于入射光的強度。當入射光強度較低，材料未達到飽和狀態(tài)則吸收光子，此時光透過率降低。隨著入射光功率的增加，材料的吸收逐漸達到飽和狀態(tài)，這表明材料被漂白不再吸收光子，光透過率達到最大值。擁有良好光學性能的材料可飽和吸收體作為鎖模器件，是輸出超短脈沖的有力保證。

隨著研究的不斷深入，越來越多種類的納米材料被證明擁有良好的物理光學特性，可以用來作為新型可飽和吸收體，例如碳納米管、石墨烯、拓撲絕緣體、過渡金屬硫化物、黑磷和一些金屬氧化物等新型材料相繼被用于被動鎖模光纖激光器。低維納米材料被引入光纖激光器中作為鎖模器件最早可追溯到2003年，日本科學家SET S Y 等將單壁碳納米管作為可飽和吸收體分別在環(huán)形和線形腔中實現(xiàn)了鎖模脈沖輸出，最短脈寬達到318 fs［74-75］。該技術(shù)的發(fā)展，極大地拓寬了超快光纖激光器的鎖模器件選擇范圍，越來越多的低維納米材料被應用于光纖激光器中實現(xiàn)超短脈沖輸出。

2004年，英國曼徹斯特大學的GEIM A 和NOVOSELOV K 從石墨薄片中成功地剝離出石墨烯［76］。石墨烯是一種零帶隙結(jié)構(gòu)材料，正是因為這種結(jié)構(gòu)的特殊性，使其表現(xiàn)出獨特的光飽和吸收特性，從而促進了其在鎖模領(lǐng)域的發(fā)展。2009年，新加坡國立大學鮑橋梁等證明石墨烯可以作為可飽和吸收體實現(xiàn)穩(wěn)定鎖模，并且得到了脈沖寬度為756 fs 的超短脈沖，實驗裝置如圖33［77］。

原子層石墨烯具有波長不敏感的超快飽和吸收，可以作為全波段鎖模器件。2010年，新加坡南洋理工大學張晗等利用石墨烯的寬帶可飽和吸收特性，搭建了摻鉺鎖模光纖激光器，實驗上證明了原子層厚度的石墨烯可以作為理想的鎖模器件。通過調(diào)節(jié)泵浦功率和PC，在摻鉺光纖激光器中可以形成寬范圍（1 570～1 600 nm）連續(xù)波長可調(diào)諧的耗散孤子，脈寬從140～40 ps 可調(diào)，光譜帶寬在3～9 nm 變化［78］。同年，英國劍橋大學POPA D 等利用石墨烯搭建了一臺色散管理鎖模光纖激光器，產(chǎn)生了信噪比超過87 dB，脈寬為174 fs 的超短脈沖［79］。2015年，波蘭弗羅茨瓦夫理工大學SOTOR J 課題組利用石墨烯在摻鉺光纖激光器中產(chǎn)生了脈寬88 fs 的鎖模脈沖輸出［80］。2019年，北京航空航天大學付博課題組在基于石墨烯鎖模光纖激光器中觀察到了穩(wěn)定的720 fs、最高26 階諧波鎖模脈沖［81］。除了石墨烯，石墨烯材料衍生物包括氧化石墨烯、還原氧化石墨、功能化石墨烯等也被廣泛應用于鎖模光纖激光器中［82-87］。2021年，本課題組在單模摻鉺光纖激光器中使用羧基氧化石墨烯獲得了可切換的單波長和雙波長飛秒孤子。通過適當調(diào)整泵浦功率，可以在反常色散區(qū)靈活地獲得單波長和雙波長飛秒脈沖。光纖激光器在1 560.1 nm 處產(chǎn)生了穩(wěn)定的單波長常規(guī)孤子，脈沖寬度為548.1 fs。通過調(diào)節(jié)泵浦功率，可以獲得1 531.9 nm 和1 555.2 nm、間距約為23 nm 的雙波長脈沖輸出［88］。2022年，本課題組設計了一種基于羧基氧化石墨烯的新型無邊帶光纖激光器，實現(xiàn)了單波長和雙波長的切換和調(diào)諧，實驗光路如圖34。在同一諧振腔中利用兩種不同機制實現(xiàn)了雙波長脈沖產(chǎn)生。其中，基于自發(fā)輻射峰雙波長脈沖表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。雙波長的波長差可以在5～13 nm 之間變化，其相應雙波長的重頻差可以從444 Hz 增加到1 019 Hz［89］。

碳納米管和石墨烯類似，都是最早被研究的納米材料。碳納米管有十分優(yōu)異的物理光學性質(zhì)，如尺寸小、柔韌性強、導電性能優(yōu)異的物理性質(zhì)以及對寬帶光譜具有與偏振無關(guān)的吸收作用、超快的恢復時間等光學性質(zhì)。2003年，碳納米管被成功應用于鎖模光纖激光器中［75］，近些年對于碳納米管的研究一直持續(xù)。2010年，亞利桑那大學KIEU K 等報道了至今為止碳納米管可飽和吸收體在光纖激光器中的最窄脈沖寬度輸出，其結(jié)構(gòu)如圖35。激光器內(nèi)的色散由包含正負色散的光纖補償至近零色散區(qū)域，直接輸出脈沖寬度為220 fs。之后輸出的超短脈沖經(jīng)過一級光纖放大以及高非線性光纖拓寬光譜后得到1 000～1 750 nm的超寬光譜，最終采用棱鏡對對其三階色散進行精確補償，實現(xiàn)了17 fs 的脈沖輸出［90］。2015年，波蘭弗羅茨瓦夫理工大學SOTOR J 課題組利用碳納米管作為可飽和吸收體，在全保偏摻鉺光纖激光器中通過調(diào)節(jié)光纖長度實現(xiàn)了重頻高達358.6 MHz，脈寬為240 fs 的超短脈沖輸出［91］。2018年，深圳大學阮雙琛課題組利用調(diào)制深度可控的碳納米管（4.5%～14.5%），在摻鉺光纖激光器中分別實現(xiàn)了調(diào)Q、鎖模，以及孤子分子等不同狀態(tài)［92］。2019年，本課題組采用反射光柵實現(xiàn)了基于單壁碳納米管全正色散可調(diào)諧摻鐿鎖模光纖激光器?？烧{(diào)諧波長覆蓋1 004～1 059 nm，整個調(diào)諧范圍內(nèi)光譜的半高寬為1.6 nm［93］。同年，上海大學劉奐奐等利用碳納米管，實現(xiàn)了L 波段波長可切換鎖模光纖激光器。中心波長可以在1 572.9 nm 和1 596.6 nm 之間切換，脈寬均為1.8 ps［94］。

拓撲絕緣體在凝聚態(tài)物質(zhì)中得到了深入的研究，與石墨烯相比，拓撲絕緣體不僅具有寬帶可飽和吸收特性，還兼?zhèn)淞烁哒{(diào)制深度和高損傷閾值等特點，這表明拓撲絕緣體可以成為一種比較理想的可飽和吸收體。2012年，拓撲絕緣體被證明在通訊波段有飽和吸收特性［95］。同年，湖南大學文雙春課題組利用Bi2Te3可飽和吸收體在摻鉺光纖激光器中實現(xiàn)了超短脈沖輸出，其實驗裝置如圖36。其中Bi2Te3可飽和吸收體具有非常高的調(diào)制深度（高達95.3%），激光器輸出脈沖的中心波長為1 558.4 nm，光譜帶寬為2.69 nm，脈寬為1.86 ps［96］。隨后，Sb2Te3、Bi2Se3等被相繼應用于鎖模光纖激光器［97-104］。

除了石墨烯和拓撲絕緣體，過渡金屬硫化物也是受到研究人員廣泛關(guān)注的新型材料。這類材料具有較大的帶隙可調(diào)性，其能帶結(jié)構(gòu)隨層數(shù)的變化而改變，同樣可通過改變層數(shù)厚度來實現(xiàn)。因為這些優(yōu)點，過渡金屬硫化物可以作為性能優(yōu)異的可飽和吸收體應用于被動鎖模光纖激光器中。2014年，新加坡國立大學LOH K P 課題組制作了一種新型的MoS2飽和吸收器件，該器件成功運用到摻鐿光纖激光器中，并實現(xiàn)了中心波長1 054 nm，脈沖寬度800 ps 的耗散孤子脈沖，實驗裝置如圖37。該工作表明MoS2可飽和吸收體有在近紅外波段作為鎖模器件的潛力［105］。

2017年，麥肯齊長老會大學AIUB E J 等將MoS2薄片沉積到聚乙烯醇和聚甲基丙烯酸甲酯的疊層上，然后直接轉(zhuǎn)移到側(cè)面拋光的D 型光纖上耦合進諧振腔內(nèi)，實驗裝置如圖38，在摻鉺光纖激光器中產(chǎn)生了脈沖寬度為200 fs 的超短脈沖［106］。隨后將WS2、MoSe2、WSe2等材料用于被動鎖模的各種實驗被相繼報道。在過去的兩年中，二維過渡金屬硫化物作為可飽和吸收體的研究已擴展到第10 組元素，尤其是鉑和鈀過渡金屬硫化物（PtS2、PtSe2、PtTe2和PdS2）。2020年，香港理工大學深圳研究院CHENG P K 課題組用新型的二維層狀PdSe2材料作為摻鉺光纖激光器的可飽和吸收體，其中PdSe2的調(diào)制深度為7.01%。在泵浦功率為230.4 mW 時，實現(xiàn)的脈沖持續(xù)時間為766 fs，對應的中心波長和光譜帶寬分別為1 566 nm 和4.16 nm［107］。2022年，湖南大學趙楚軍課題組利用VSe2納米片可飽和吸收體，從摻鉺鎖模光纖激光器中獲得了脈寬為714 fs、中心波長為1 565.8 nm、3 dB 帶寬為4.3 nm、信噪比為78.44 dB 的傳統(tǒng)孤子［108］。

黑磷具有帶隙與其層數(shù)有關(guān)、較高的載流子遷移率和寬光譜響應等優(yōu)點，且?guī)犊梢栽谳^大的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，因此作為寬帶可飽和吸收體應用于光纖激光器中。2015年，深圳大學張晗課題組在摻鉺光纖激光器中采用黑磷可飽和吸收體實現(xiàn)了調(diào)Q 和鎖模輸出［109］。同年，波蘭弗羅茨瓦夫理工大學SOTOR J 課題組利用黑磷可飽和吸收體在摻銩光纖激光器中實現(xiàn)了超短脈沖輸出，如圖39。其結(jié)果表明，黑磷在2 μm 波長范圍，支持超短脈沖生成，輸出中心波長為1 910 nm，脈沖寬度為739 fs 的脈沖［110］。

緊接著上海交通大學錢列加課題組通過將機械剝離的黑磷轉(zhuǎn)移到鍍金反射鏡上，成功地制備了中紅外黑磷可飽和吸收鏡，證明了輸出波長為2.8 μm 的中紅外黑磷被動鎖模光纖激光器的可行性，其最大平均輸出功率為613 mW，重復頻率為24 MHz，脈沖持續(xù)時間為42 ps［111］。除上述幾種可飽和吸收體外，最近的研究中發(fā)現(xiàn)MXene、鈣鈦礦、銻烯、鉍烯等越來越多的新型材料可以被用作為可飽和吸收體使用。2017年韓國首爾大學JHON Y I 課題組在實驗中證明TI3CN 可以作為一種優(yōu)良的鎖?？娠柡臀阵w，并在光纖激光器中產(chǎn)生穩(wěn)定的超短脈沖，獲得重復頻率為15.4 MHz、中心波長為1 557 nm、脈沖寬度為660 fs 的激光脈沖［112］。2020年，陜西師范大學李曉輝課題組基于少層鉍烯，提出了一種具有諧波鎖模和雙波長鎖模共存的光纖激光器，實驗裝置如圖40。結(jié)果表明，基于少層鉍烯的超短脈沖激光可以應用于泵浦探針實驗和可調(diào)諧太赫茲輻射產(chǎn)生［113］。隨后，2021年深圳大學張晗課題組運用Nb2CMXene 可飽和吸收體產(chǎn)生中心波長1 882 nm，重復頻率為411 MHz 的69 階諧波鎖模脈沖［114］。

SESAM 得益于半導體材料優(yōu)異的特性，在諧振腔中可以自主實現(xiàn)鎖模，且飽和吸收效果好，鎖模更加穩(wěn)定。此外，SESAM 的調(diào)制深度、吸收波長、恢復時間可以在制備的過程中靈活調(diào)控，同樣也可以集成在光纖反射鏡上實現(xiàn)全光纖化，因此，在被動鎖模光纖激光器中被廣泛應用。1992年，瑞士KELLER U 團隊設計了Nd：YLE 激光器，利用新型低損耗快速腔內(nèi)半導體法布里-珀羅可飽和吸收體，在220 MHz 重復頻率下實現(xiàn)了3.3 ps 的脈沖輸出［115］。一年后，SESAM 便在光纖激光器中得到了應用。英國南安普頓大學LOH W H 等采用分子束外延方法生長SESAM 作為端鏡，在線型腔中得到了7.6 ps 的鎖模脈沖輸出［116］。2009年，天津大學胡明列課題組將高增益摻鐿光子晶體光纖引入到鎖模光纖激光器中，直接使用0°角光纖端面作為腔鏡，并利用SESAM 和光柵對的濾波作用實現(xiàn)了穩(wěn)定的鎖模運轉(zhuǎn)，如圖41。通過調(diào)節(jié)濾波程度，實現(xiàn)了從寬帶濾波鎖模到窄帶濾波鎖模的連續(xù)可調(diào)諧［117］。

2017年，上海光學精密機械研究所周軍等提出了一種基于SESAM 的寬調(diào)諧全光纖鎖模激光器。實驗中利用一種商用可調(diào)諧帶通濾波器來調(diào)諧波長，通過調(diào)整濾波器和偏振控制器，可以在1 023 ～1 060 nm范圍內(nèi)實現(xiàn)鎖模運行，實驗裝置如圖42［118］。在105 mW 泵浦功率下得到了3-dB 帶寬0.23 nm，中心波長1 030.1 nm，脈寬為15.4 ps 的脈沖輸出。2018年，長春理工大學金亮課題組報道了一種雙SESAM 被動鎖模超短脈沖光纖激光器，與含有單個SESAM 的鎖模光纖激光器相比，雙SESAM 的加入，可以獲得單脈沖能量更大，脈沖寬度更窄的脈沖。這是由于增加了SESAM 的數(shù)量，使得可飽和吸收體對脈沖前后沿的吸收增加，有助于壓縮脈沖寬度和提高單脈沖能量。在相同的調(diào)制深度下，雙SESAM 鎖模光纖激光器輸出脈沖寬度由693 fs 降低到449 fs，脈沖能量由2.92 nJ 提高到5.31 nJ，對應結(jié)果如圖43［119］。

2021年，山東大學趙志剛等展示了一種穩(wěn)定的被動鎖模摻鉺光纖激光器（如圖44），其重復頻率高達5 GHz。采用凈增益系數(shù)1 dB/cm 的光纖作為增益介質(zhì)。輸出脈沖中心波長為1 561.0 nm，信噪比為62.1 dB，帶寬為0.69 nm。放大后，脈沖寬度和光譜帶寬測量為3.86 ps 和1.16 nm，時間帶寬乘積為0.55，略高于高斯形脈沖的變換極限［120］。

二維材料具有寬光譜吸收和環(huán)境穩(wěn)定性高等優(yōu)點，對于被動鎖模光纖激光器的穩(wěn)定輸出有著重要作用。因此研究新型非線性吸收特性更佳的二維材料對促進被動鎖模光纖激光器的發(fā)展有著重要價值。此外，如何提高損傷閾值、降低制造成本以及延長二維材料作為可飽和吸收體的使用壽命也值得科研人員進一步探究。

5 Mamyshev 振蕩器

由于光纖中存在非線性效應，即使通過控制光纖振蕩器腔內(nèi)色散和非線性產(chǎn)生的高能量脈沖，在高泵浦功率下依然會發(fā)生分裂。為了獲得與固體激光器性能指標可比擬的、更加穩(wěn)定、更高單脈沖能量和高峰值功率的超短脈沖輸出，科研人員不斷努力提高光纖振蕩器的峰值功率。圖45 為2018年以前不同類型光纖振蕩器的輸出峰值功率圖，其中加入了成熟商用的摻鈦藍寶石振蕩器輸出峰值功率用于對比［4，17，121-139］。從圖中可以看出，輸出峰值功率最高的光纖振蕩器為Mamyshev 振蕩器，其最高輸出達到兆瓦量級，已經(jīng)可以和商用的鈦寶石固體激光器相比擬，Mamyshev 振蕩器的提出極大地推動了高功率光纖振蕩器的發(fā)展。

Mamyshev 振蕩器主要由Mamyshev 再生器構(gòu)成。Mamyshev 再生器于1998年在歐洲光通信會議上由貝爾實驗室的MAMYSHEV P 提出，主要內(nèi)容是基于光信號在非線性介質(zhì)中的自相位調(diào)制效應以及采用光譜濾波應用于數(shù)據(jù)信號全光再生［140］。Mamyshev 再生器的原理如圖46。假設入射脈沖的光譜帶寬為Δω0，由于自相位調(diào)制效應的作用，入射脈沖經(jīng)過展寬后其光譜帶寬可表示為

式中，IP表示脈沖強度，n2為非線性折射率，λ為波長，L是非線性介質(zhì)（光纖）的長度。如果脈沖強度足夠大，當脈沖通過非線性介質(zhì)后可滿足

則受到自相位調(diào)制效應展寬的光譜會有部分通過濾波器，Δωshift為脈沖中心頻率相對于入射信號載波頻率的偏移。根據(jù)式（1），可估算

可以看出，輸出脈沖強度Iω與入射脈沖強度無關(guān)，因此再生器的脈沖傳遞函數(shù)可表示為

式中，ICR為臨界脈沖強度。對于再生器而言，方程式（4）和（5）是非常理想的傳遞函數(shù)，移除了噪聲的同時振幅抖動也被抑制。

通過串聯(lián)兩個Mamyshev 再生器作為兩臂既可構(gòu)成Mamyshev 振蕩器，其典型結(jié)構(gòu)如圖47［4］。每一個再生器都由一段增益、帶通濾波器以及輸出耦合器組成，為避免連續(xù)光起振，兩個濾波器的中心波長有一定的偏移。當光脈沖通過Mamyshev 振蕩器其中一臂時，由于自相位調(diào)制左右導致光譜展寬。若脈沖強度較低，光譜展寬量不夠，則無法通過下一臂中的濾波器而逐漸消失。若脈沖強度足夠，則展寬的光譜足夠覆蓋兩臂中濾波器的光譜縫隙，則可以通過下一臂中的濾波器繼續(xù)在腔內(nèi)循環(huán)不斷放大和窄化。這個工作機制可等效為飽和吸收效應，通過兩臂不對稱的濾波器可使脈寬持續(xù)窄化實現(xiàn)鎖模最終得到穩(wěn)定的超短脈沖輸出。基于Mamyshev 再生器的優(yōu)勢，Mamyshev 振蕩器擁有極大的調(diào)制深度，可以很好地抑制噪聲得到非常穩(wěn)定的超短脈沖。

Mamyshev再生器的提出，被廣泛應用于光通信領(lǐng)域。2008年，加拿大麥克吉爾大學研究小組利用Mamyshev振蕩器實現(xiàn)了脈沖源運轉(zhuǎn)，并指出Mamyshev 振蕩器擁有很大潛力作為一種新穎的方法來構(gòu)建鎖模光纖激光器［141］。隨后，立陶宛研究小組和IPG 公司相繼利用Mamyshev 振蕩器產(chǎn)生了超短脈沖［137-138，142-143］。雖然在實驗上已經(jīng)驗證了Mamyshev 振蕩器在產(chǎn)生穩(wěn)定的高能量超短脈沖具有巨大潛力，但是對其機制以及脈沖動力學過程的研究并不完全。

直到2017年，康奈爾大學FRANK W 課題組明確定義了Mamyshev 振蕩器的概念并進行了系統(tǒng)的研究［139］。其搭建的全正色散Mamyshev 振蕩器光路如圖48，采用全保偏的摻鐿光纖作為增益介質(zhì)。利用反射式光纖光柵配合光纖準直器構(gòu)成4 nm 帶寬高斯型濾波器，兩臂濾波器的反射波長分別為1 040 nm 和1 030 nm，不同于摻鐿光纖增益譜峰值1 035 nm。數(shù)值模擬表明，Mamyshev 振蕩器能產(chǎn)生無分裂的高能脈沖是由于克服了非線性效應的限制，通過有效管理腔內(nèi)非線性產(chǎn)生了拋物線型脈沖，因而能容忍更大的非線性相移在腔內(nèi)實現(xiàn)自相似放大。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，普通單模光纖構(gòu)成的Mamyshev 振蕩器可支持峰值功率超過10 MW 超短脈沖。實驗中，得到了峰值功率為1 MW，重復頻率為17 MHz，脈沖能量為50 nJ，壓縮后40 fs 的超短脈沖。相比于用單模光纖構(gòu)建的鎖模光纖激光器，輸出脈沖峰值功率提高了約一個量級。這種優(yōu)異的性能輸出歸因于Mamyshev 再生器起到了類階梯型飽和吸收體的作用，極大地調(diào)制深度有利于Mamyshev 振蕩器產(chǎn)生高能量脈沖。

FRANK W 課題組的工作展示了Mamyshev 振蕩器在產(chǎn)生高能量超短脈沖方面的巨大優(yōu)勢，掀起了對Mamyshev 振蕩器的研究熱潮。各個課題組也在不斷地探索和提升Mamyshev 振蕩器的輸出性能，脈沖輸出峰值功率也逐漸增加，從1 MW 到1.15 MW、3 MW、5.6 MW，直到目前世界紀錄最高的13 MW［144-147］。2019年，天津大學胡明列課題組利用保偏大模場光子晶體光纖作為增益介質(zhì)，實現(xiàn)了平均輸出功率9 W，脈沖能量超過1 μJ，壓縮后脈寬41 fs，峰值功率高達13 MW 高能量超短脈沖輸出。2020年，吉林大學馬春陽等通過在腔內(nèi)插入高非線性光子晶體光纖以及色散延遲線，成功得到了超寬光譜范圍的少周期脈沖，實驗裝置如圖49。-20 dB 的光譜寬度達到了400 nm，最窄脈寬為17 fs。數(shù)值模擬揭示，經(jīng)過合適地調(diào)節(jié)增益系數(shù)，可以得到倍頻程光譜輸出（-20 dB 帶寬632 nm），可支持最窄一個光學周期（5 fs）的脈沖產(chǎn)生［148］。

盡管類階梯型飽和吸收體可以抑制噪聲和連續(xù)光，使得Mamyshev 振蕩器僅支持鎖模運轉(zhuǎn)，但過高的調(diào)制深度使得振蕩器很難自啟動鎖模。一般常用方法是通過腔外注入種子光輔助進行鎖模，對于種子脈沖的功率和脈寬沒有要求，但要保證帶寬足夠才能使振蕩器進入鎖模運行狀態(tài)［139］。2018年，F(xiàn)RANK W 課題組為了解決Mamyshev 振蕩器的自啟動問題，通過在腔外引入一個啟動臂來產(chǎn)生種子光實現(xiàn)振蕩器的自啟動鎖模。利用一個電控可調(diào)旋轉(zhuǎn)鏡來產(chǎn)生噪聲抖動，以及一段非保偏光纖和保偏器件構(gòu)成一個等效可飽和吸收體對噪聲進行放大來產(chǎn)生種子脈沖啟動鎖模，最終獲得了單脈沖能量為190 nJ，脈寬為35 fs，峰值功率為3 MW 的輸出［145］。除了這種方式，通過在振蕩器一臂內(nèi)引入不同空間器件利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模來產(chǎn)生種子光，同樣也可以實現(xiàn)振蕩器的自啟動鎖模［149］。2022年，F(xiàn)RANK W 課題組提出了一種更為簡潔的自啟動全保偏光纖Mamyshev 振蕩器，實驗裝置如圖50。通控制光譜濾波器參數(shù)（中心波長及帶寬）實現(xiàn)泵浦調(diào)制來產(chǎn)生種子光，可實現(xiàn)單脈沖能量為80 nJ，脈寬為45 fs，峰值功率為1.5 MW 的輸出，比之前全光纖自啟動Mamyshev 振蕩器峰值功率高出20 倍［150］。

除了在1 μm 波段對Mamyshev 振蕩器進行研究外，研究人員也將其研究推廣到了其他波段。2019年，F(xiàn)RANK W 課題組在1.5 μm 波段實現(xiàn)了自啟動的鎖模Mamyshev 振蕩器，實驗裝置如圖51。該工作采用全保偏摻鉺光纖作為增益，在最大泵浦功率下下實現(xiàn)了脈寬為93 fs，單脈沖能量為31.3 nJ 的輸出［151］。2020年，日本豐田技術(shù)研究所LUO X 研究小組構(gòu)建了一個全光纖線形Mamyshev 振蕩器，實現(xiàn)了脈沖能量為18 nJ，脈寬為230 fs 的1 550 nm 高能超短脈沖輸出［152］。同年，加拿大BOULANGER V 課題組利用保偏摻鉺光纖，進一步將全光纖線形Mamyshev 振蕩器輸出脈沖能量提高到了21.3 nJ，壓縮后脈寬最窄為108 fs［153］。2022年，南京航空航天大學課題組通過控制腔內(nèi)色散，得到了脈寬為72 fs，單脈沖能量為6.2 nJ，峰值功率為86 kW 的超短脈沖輸出［154］。近幾年，基于摻銩光纖Mamyshev 振蕩器的研究也有一定進展。2019年，清華大學楊昌喜課題組對2 μm 波段Mamyshev 振蕩器進行了數(shù)值模擬，研究了耗散法拉第不穩(wěn)定性的物理機制［155］。2020年，德國PAUL R 課題組在實驗上實現(xiàn)了鎖模摻銩Mamyshev 振蕩器，實驗裝置如圖52。該工作利用正色散光纖調(diào)節(jié)腔內(nèi)色散，實現(xiàn)了重復頻率為15 MHz，單脈沖能量為3.55 nJ，脈寬為208 fs 的超短脈沖輸出［156］。

Mamyshev 振蕩器由于其結(jié)構(gòu)簡單、輸出穩(wěn)定性高、環(huán)境魯棒性等特點，可作為傳統(tǒng)鈦寶石激光器的替代者，在產(chǎn)生超短高能脈沖方面吸引了越來越多科研工作者的關(guān)注。Mmayshev 振蕩器未來發(fā)展可進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生相干、倍頻的高能脈沖用于產(chǎn)生相位穩(wěn)定的頻率梳；進一步拓展Mmayshev 振蕩器的運行波段，提高輸出脈沖能量和峰值功率；作為一個理想的研究平臺，力爭發(fā)現(xiàn)更多非線性現(xiàn)象。

6 時空鎖模

相比于單模光纖，多模光纖中存在復雜的非線性效應，導致其在超快光纖激光器研究中應用有限，這對于研究人員而言是一個極大的挑戰(zhàn)。激光的模式一般可分為橫模和縱模，鎖模激光器主要原理是基于單一橫模場的多縱模相位鎖定，而對于同一激光器中的橫模和縱模的相干疊加方面很少有研究。如果這些橫模和縱模各自通過某種機制產(chǎn)生固定相位關(guān)系，則該種鎖?？煞Q為時空鎖模。時空鎖模近幾年已成為超快光纖激光器的熱門研究方向。

2017年，康奈爾大學WRIGHT L G 等提出利用多模光纖來構(gòu)建激光器，可以實現(xiàn)多個橫模和縱模的同時鎖定來產(chǎn)生超短脈沖，即時空鎖模［157］。在該工作中，WRIGHT L G 首先構(gòu)建了理論模型，證明實現(xiàn)時空鎖模主要利用了少模光纖（10 μm 芯徑，支持3 種橫模）以及折射率漸變多模光纖（支持100 種橫模）。少模光纖主要提供空間濾波并消除增益的相互作用，折射率漸變多模光纖使得腔內(nèi)的模式色散降低，使其總量和色度色散在一個量級，這是實現(xiàn)時空鎖模的關(guān)鍵。同時，這兩種光纖通過錯位熔接來激發(fā)不同的高階橫模。通過數(shù)值模擬指導，他們搭建了兩種典型的時空鎖模光纖激光器。第一種實驗裝置如圖53，是由空間器件和光纖構(gòu)成的環(huán)形腔，其中利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)機制作為飽和吸收體。折射率漸變多模光纖和少模增益光纖錯位熔接，利用空間濾波和頻譜濾波來建立滿足時空邊界條件的三維穩(wěn)態(tài)鎖模脈沖。圖54 為模擬和實驗觀測到的時空鎖模結(jié)果。第二種實驗裝置與第一種類似，僅僅是為了驗證在存在橫向增益相互作用時是否也能建立時空鎖模，因此采用了多模折射率漸變光纖作為增益，如圖55。實驗結(jié)果證明，在這種情況下依然可以實現(xiàn)穩(wěn)定的時空鎖模。

由于在腔內(nèi)采用了周期性空間和頻譜濾波，同時考慮到多模光纖腔內(nèi)的色散，WRIGHT L G 認為多模光纖中三維穩(wěn)態(tài)脈沖形成類似于單模光纖中的一維耗散孤子和自相似孤子。在單模光纖激光器中，正色散和非線性相位調(diào)制會導致產(chǎn)生脈寬和帶寬在腔內(nèi)增加的啁啾脈沖，光譜濾波會抑制脈寬和帶寬的增加使得啁啾脈沖滿足激光器周期邊界條件達到穩(wěn)態(tài)。類似地，在多模光纖激光器中，空間和光譜濾波有利于建立滿足時空周期邊界條件的三維穩(wěn)態(tài)脈沖。由于在多模光纖中，橫模模式色散與色度色散量級接近，不同模式之間都是強耦合，這就保證了多種模式都可以實現(xiàn)鎖定。

WRIGHT L G 等的工作拓展了研究鎖模光纖激光器的思路，提出了一個新的研究方向。隨后，一系列關(guān)于時空鎖模光纖激光器的工作被相繼報道，包括孤子分子時空鎖模［158］、自相似孤子時空鎖模［159］、多脈沖時空鎖模［160］、波長可調(diào)諧時空鎖模［161］、色散管理孤子鎖模等等［162］。不僅如此，在全光纖結(jié)構(gòu)的激光器中也實現(xiàn)了穩(wěn)定的時空鎖模。2020年，瑞士TEGIN U 課題組在實驗上證明了1 μm 全光纖多模時空鎖模，實驗裝置和結(jié)果如圖56。在該工作中諧振腔內(nèi)包括50 μm 芯徑的折射率漸變多模光纖，10 μm 芯徑的折射率階躍多模光纖以及10 μm 芯徑的摻鐿光纖。最終得到了中心波長為1 036 nm，脈寬為6.24 ps，脈沖能量為0.5 nJ的時空鎖模脈沖輸出，相比于全正色散單模鎖模激光器脈沖能量提高了4 倍［163］。2021年，華南師范大學羅愛平課題組報道了實現(xiàn)全少模光纖時空鎖模激光器。與多模光纖相比，少模光纖由于支持的橫模數(shù)量更少更容易實現(xiàn)時空鎖模，實驗結(jié)果對于理解時空鎖模的非線性特性有一定的參考意義［164］。2022年，長春理工大學金亮等實現(xiàn)了高功率全光纖時空鎖模。在該工作中通過精確控制優(yōu)化少模光纖中由多模干涉濾波造成的自成像效應，提高了折射率漸變多模光纖和少模光纖的耦合效率進而提高激光器的輸出功率。實驗得到了215 mW 的平均輸出功率以及6 nJ 的脈沖能量［165］。

除了1 μm 波段，其他波段也有時空鎖模相關(guān)研究。2021年，華南師范大學羅愛平課題組報道了1.55 μm可調(diào)諧時空鎖模激光器。利用多模干涉濾波效應，僅通過調(diào)節(jié)PC 即可實現(xiàn)中心波長從1 557 ～1 567 nm 的連續(xù)可調(diào)。這項工作將時空鎖模激光器的運行波長拓展到了1.5 μm［166］。2022年，中國計量大學王兆坤課題組報道了1.5 μm 部分多模光纖時空鎖模激光器。增益介質(zhì)為單模摻鉺光纖，采用單模光纖-多模光纖-單模光纖結(jié)構(gòu)作為可飽和吸收體同時提供空間濾波。最終得到了脈寬為687 fs，重頻為24.75 MHz 的多模傳統(tǒng)孤子輸出［167］。值得一提的是，2022年，廈門大學羅正錢課題組在可見光波段實現(xiàn)了中心波長635 nm 的時空鎖模，最終得到了脈寬為9 ps，脈沖能量為4 nJ 的優(yōu)良輸出性能［168］。

考慮到之前的時空鎖模激光器大多都是使用折射率漸變多模光纖使腔內(nèi)有較低的模式色散，由于較小的色散易于平衡，這是在這類激光器中實現(xiàn)時空鎖模的關(guān)鍵。如果多模光纖擁有較大的模式色散，是否可以實現(xiàn)時空鎖模？2021年，清華大學楊昌喜課題組對該問題進行了研究［169］。通過數(shù)值模擬，構(gòu)建了空間器件加光纖的環(huán)形腔，采用了擁有較大模式色散的折射率階躍多模光纖作為增益，與一段無源折射率漸變多模光纖錯位熔接。非線性偏振旋轉(zhuǎn)機制作為可飽和吸收體。實驗裝置與模擬結(jié)果如圖57。該工作通過設置適當?shù)膮?shù)，實驗上可以觀測到穩(wěn)定的時空鎖模，證實了在擁有大模式色散的腔型結(jié)構(gòu)中也可以實現(xiàn)三維穩(wěn)態(tài)脈沖產(chǎn)生。這種時空鎖模的建立歸因于腔內(nèi)飽和吸收體在補償大的模式色散方面起了關(guān)鍵作用，它平衡了眾多橫模之間的走離效應，輔助建立時空鎖模。由于較長的折射率階躍多模光纖會在橫模間引入較大的走離，很難去補償。通過大量對比實驗證明，由較短的折射率階躍多模光纖和一段相對較長的折射率漸變多模光纖構(gòu)成的諧振腔，更容易實現(xiàn)時空鎖模。這項工作進一步拓寬了對復雜時空鎖模動力學的理解。2022年，北京交通大學彭繼迎課題組構(gòu)建了基于折射率階躍多模光纖的全光纖振蕩器，同樣也實現(xiàn)了大模式色散的時空鎖模。最終得到了脈沖能量為8 nJ，脈寬為20.1 ps的鎖模脈沖輸出［170］。

基于多模光纖的時空鎖模激光器的研究目前處于起步階段，許多問題都亟待解決，不可否認的是，這項技術(shù)擁有巨大的潛力和優(yōu)勢，和Mamyshev 振蕩器研究類似，都開辟了高能量超快光纖激光器的新方向，是未來超短脈沖光纖激光器領(lǐng)域的最前沿。

7 總結(jié)與展望

本文分析了近年基于不同可飽和吸收體的被動鎖模技術(shù)，梳理了相關(guān)的研究進展和發(fā)展現(xiàn)狀，包括非線性光環(huán)形鏡、非線性偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)、低維納米材料飽和吸收體、非線性多模干涉、以及最近出現(xiàn)的Mamyshev 振蕩器和時空鎖模等。非線性光纖環(huán)形鏡響應時間短、損傷閾值高、穩(wěn)定性好，但激光器存在難以自啟動問題；非線性偏振旋轉(zhuǎn)易于調(diào)諧、調(diào)制深度大，但環(huán)境抗干擾能力差，最近出現(xiàn)的基于保偏光纖的非線性偏振旋轉(zhuǎn)可以提高激光器的穩(wěn)定性；基于低維納米材料的超短脈沖激光器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但受限于材料本身的性質(zhì)以及較低的損傷閾值，難以獲得長期穩(wěn)定的高能量脈沖；非線性多模干涉易于構(gòu)成全光纖結(jié)構(gòu)，光纖兼容性好，但增加了損耗，參數(shù)可調(diào)性差；Mamyshev 振蕩器在產(chǎn)生高峰值功率方面有巨大的潛力，但過高的調(diào)制深度使激光器無法自啟動，需要外部種子光輔助，目前已有相應的解決方法，但整體研究仍處于起步階段；時空鎖模能同時鎖定橫模與縱模，開辟了高能量超快光纖激光器的新方向，但目前的研究仍不夠充分，有許多的問題亟待解決，且輸出性能還無法與其他鎖模技術(shù)比較。上述被動鎖模技術(shù)擁有各自不同的優(yōu)缺點，不同技術(shù)的共同發(fā)展提高了超短脈沖激光器的應用價值，拓寬了超短脈沖光纖激光器的應用領(lǐng)域，極大推動了超快光纖光源實用化發(fā)展。

目前阿秒技術(shù)正蓬勃發(fā)展，利用阿秒激光可以直接測量和控制電子行為，在材料、成像、醫(yī)學、信息、制造等領(lǐng)域具有廣泛的應用。其產(chǎn)生方式主要是使用少周期高能脈沖轟擊惰性氣體產(chǎn)生高次諧波。超短脈沖光纖激光器特別是Mamyshev 振蕩器可以輸出高能量少周期脈沖，會成為阿秒激光產(chǎn)生的理想驅(qū)動光源。

過去的十年，基于低維材料特別是二維納米材料的超短脈沖激光器得到了飛速發(fā)展，得到了許多重要的成果，成為了非線性光子學的研究熱點，這得益于成熟的材料制備、表征，以及對材料非線性響應特性的深入研究。在未來，基于材料鎖模光纖激光器在以下幾個方面可以進一步發(fā)展。首先，拓寬激光器輸出脈沖的波長范圍，紫外以及2～4 μm 仍舊有許多潛在的空間；其次，探索揭示更多的非線性現(xiàn)象包括多孤子分子、怪波等；最后，合成更多新穎的二維納米材料并探索其非線性響應特性。

隨著生物成像技術(shù)的發(fā)展，以非線性光學效應為基本原理的多光子顯微鏡技術(shù)，已被廣泛應用于以老年癡呆、細胞中鈣信號調(diào)控、腫瘤細胞遷移等多種疾病為例的各個生物研究領(lǐng)域。高性能的超短脈沖光源是多光子顯微鏡技術(shù)在生物組織深層成像的關(guān)鍵之一，最近幾年1.7 μm 超短脈沖光纖激光器的出現(xiàn)為多光子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。

隨著對被動鎖模機制理解的不斷深入，再加上目前高速發(fā)展的激光器件制造水平，超快激光研究者能實現(xiàn)各種不同類型的鎖模光纖激光器，進一步推動超快光源的研究走向成熟。隨著輸出性能的逐步提升，超短脈沖光纖激光器的適用場景也越來越豐富，可以預見未來將會成為以鈦寶石激光器為代表的傳統(tǒng)固體超短脈沖激光器的有力競爭者，并發(fā)揮更加重要的作用。