关于锁模光纤激光器的研究前言激光器，顾名思义，即是能发射激光的装置。

1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。

1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。

1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。

1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。

以后，激光器的种类就越来越多。

按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。

近来还发展了自由电子激光器，大功率激光器通常都是脉冲式输出。

2004 年，Idly 提出了一种自相似脉冲光纤激光器，同时为这种光纤激光器建立了一种数值模型。

模型中采用非线性薛定谔方程（NLSE）描述脉冲在正色散光纤中的传输，引入了一个与脉冲强度相关的透过率函数将NPE 锁模机理等效成快速可饱和吸收体（SA）的作用0 模拟发现这种激光器输出的脉冲具有抛物线的形状和线性啁啾，能量可高达10nJ。

随着自相似脉冲在实验上的实现，自相似锁模光纤激光器迅速成为超短光脉冲领域的研究热点。

用Idly 模型对自相似锁模光纤激光器的研究不断取得新的进展。

在此我将对激光和激光器的原理和基于原理而做出的进一步的相关研究（如被动锁模光纤激光器）做一个大致的探讨。

主题激光器的原理非线性偏振旋转被动锁模环形腔激光器的结构如图1所示, 激光器由偏振灵敏型光纤隔离器、波分复用器、偏振控制器、输出藕合器、掺yb3+光纤组成。

其工作原理为从偏振灵敏型光纤隔离器输出的线偏振光,经过偏振控制器PCI(1/4 λ波片)后变为椭圆偏振光, 此椭圆偏振光可看成两个频率相同、但偏振方向互相垂直的线偏振光的合成, 它们在掺yb3+增益光纤中藕合传输时, 经过光纤中自相位调制和交叉相位调制的非线性作用, 产生的相移分别为其中n1x 、n1y分别为yb3+光纤沿X、Y方向的线性折射率, n2、l分别为该光纤的非线性折射率系数和长度。

由于两线偏振光的相位差（ΔΦ=Φx-Φy）, 与两偏振光的光强有关, 适当调整光纤偏振控制器PC2（1/4 λ波片 +1/2 λ波片）, 使两偏振光中心部分在偏振灵敏型光纤隔离器处发生线性叠加。

这样, 偏振灵敏型ISO就可使能量较高的光脉冲的峰值部分通过, 而对能量较低的脉冲前、后沿进行吸收, 使光脉冲每次经过偏振灵敏型时都可获得与强度有关的损耗, 此过程不断重复, 就形成了与可饱和吸收体被动锁模相似的光脉冲。

由于掺yb3+光纤工作在正色散区, 随着传输距离的增加, 在群速度色散的作用下,光脉冲逐渐加宽, 同时在掺yb3+光纤中得到增益, 因此光脉冲能量逐渐增大。

这就是非线性偏振旋转展宽脉冲锁模的基本原理。

因较宽脉冲具有较大的线性嘀啾, 根据输出脉冲的惆啾特性, 在谐振腔外加一段合适的单模光纤, 即可得到较窄的光脉冲。

在激光器问世之后我们的科学家对激光器的研究进入了更深入的探讨，经典的是锁模光纤激光器。

锁模光纤激光器目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。

由于光纤激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”。

当加入正反馈回路（构成谐振腔）便形成激光振荡。

由于光纤基质具有很宽的荧光谱，光纤激光器一般都可做成可调谐的，以用于WDM系统中。

在光纤激光器中发展较好的有：连续光纤激光器（基于Raman放大的光纤激光器：产生特定光波波长），锁模光纤激光器（基于非线性光环路镜的光纤激光器：产生高重复率超短压缩脉冲和亮暗脉冲转换）。

下面我们对锁模光纤激光器进行深入的讨论。

锁模光纤激光器因其紧凑小巧、成本低和光束质量好等优点,近年来获得了快速发展。

根据锁模原理可将锁模光纤激光器分为三类:主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器、主被动混合锁模光纤激光器。

主动锁模光纤激光器主动锁模光纤激光器可分为调制器型锁模和注入型锁模两类。

前者是通过在激光腔内插入主动的调制器件(如LiNbO3 调制器、声光调制器、电光调制器等) 实现锁模,后者是利用外界注入光学调制脉冲产生的非线性微扰实现锁模。

被动锁模光纤激光器被动锁模光纤激光器通常利用半导体的可饱和吸收效应或光纤中的非线性效应作为锁模机制,它一般不需要外界施加的调制信号。

半导体可饱和吸收体锁模的优点是容易实现激光器的自启动,而且脉冲的重复频率较稳定,脉宽为ps 或fs 量级,但这种锁模激光器并不是全光纤结构,而且在实际应用中的响应速度一般在10ps 以上。

利用光纤非线性效应进行锁模调制,其响应时间仅为fs量级,同时可以实现全光纤结构,克服了半导体可饱和吸收体被动锁模的缺点。

一般相位调制型被动锁模大都采用“8”字形腔。

输入光经过耦合器,被分成沿相反方向传输的两束光,通过非3dB耦合器或在附腔中插入光放大器件,使得两束光的光强不同,这样虽然在光纤中经历相同的光程,但是由于光纤中自相位调制、交叉相位调制等非线性效应引起的非线性相移,两束光最后在这个耦合器中相干干涉,引起类似快速可饱和吸收体的作用,产生超短脉冲输出。

由于增益介质的饱和效应,上述相位调制型被动锁模结构对于单一脉冲和序列脉冲的响应有显著的不同,限制了激光器获得更高的重复速率。

色散非均衡非线性光纤环镜(DI- NOLM) 解决了这个问题。

如图2 所示,色散非均衡非线性光纤环镜由具有不同的色散特性的一段普通单模光纤和一段色散位移光纤构成。

光脉冲从耦合器输入环内并被分成相等的两束,其中一束经过单模光纤因色散而展宽,峰值功率下降,随后在色散位移光纤中产生较小的非线性相移;另一束因色散位移光纤色散很小,仍然保持很窄的脉冲宽度,并在单模光纤中产生较大的非线性相移。

当相向传输的两束光相位差等于π时,脉冲经过色散非均衡非线性光纤环形镜得到最大的透射率。

由于色散只对脉冲起作用,因此任何强度的连续光输入都被反射掉了,从而得到消减了尾翼和噪声的窄脉冲输出。

同时由于光纤环形镜内没有有源器件,不会受到系统内前一脉冲的影响。

主被动混合锁模光纤激光器2003 年,王肇颖等人报道了一种“8”字型腔主被动混合锁模光纤激光器。

实验中应用100m 长的色散位移光纤、2. 5GHz 的LiNbO3 调制器,由光纤放大器提供增益。

在调制频率为2.498GHz 时,获得了脉宽为12ps 的脉冲输出, 中心波长为1543nm、相应的频谱宽度0. 22nm、时间脉宽积0. 33〔16〕。

2004年,王肇颖等人又利用色散非均衡非线性光纤环形镜(DI -NOLM) 代替非线性光纤环形镜(NOLM)〔17〕进行了实验。

发现色散非均衡非线性光纤环形镜可以有效抑制腔内各种噪声对输出脉冲质量的影响并使脉冲窄化。

在调制频率为9.998GHz 时,得到了1566. 65nm波段、脉宽为11ps、谱宽为0. 297nm的稳定锁模脉冲输出。

总结锁模光纤激光器的发展十分的迅速，本文仅对现有的几种锁模激光器进行了简单的描述。

其中主动锁模光纤器【2】的驰豫振荡和超模噪声劣化了输出脉冲质量,而被动锁模光纤激光器【2】输出脉冲重复率受光纤长度的限制不可能很高,且不易调整和控制。

因此，现在针对主被动混合动锁模激光器【2】的研究是迫在眉睫的，这类激光器具不但有体积小、结构灵活,维护简便、成本低等特点,而且在光通信网络、超快光谱、材料加工、非线性光学、医学成像和外科医疗等领域具有十分广泛的应用前景。

如果此类激光器能在我国得到普遍的应用，那么对于我国激光器的发展将会起到不可估量的作用。

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