被动锁模超短脉冲光纤激光器研究进展（特邀）

陆宝乐，陈程，林启蒙，张朝阳，郎嘉靖，白晋涛

（1 西北大学光子学与光子技术研究所，省部共建西部能源光子技术国家重点实验室，西安 710127）

（2 国家级光电技术与纳米功能材料国际联合研究中心，西安 710127）

（3 陕西省全固态激光及应用工程技术研究中心，陕西省光电子技术重点实验室，西安 710127）

0 引言

超短脉冲激光器具有输出脉宽窄、峰值功率高、光谱宽等特点，在阿秒科学、精密制造、生物医疗、量子通讯以及国防军事等方面应用广泛［1-3］。相较于传统固体激光器，光纤作为柔性波导，拥有体积小、无需准直、光束质量高、结构紧凑、成本低等优势，超短脉冲光纤激光器成为超快激光领域的前沿热点研究方向之一，也为科研人员提供了一个理想的研究非线性效应的平台。由于光纤纤芯在微米量级，功率密度提高不可避免会产生色散和各类不同的非线性现象，光在其内传输时就会对脉冲演化产生重要影响［4］。事实上，累积过多的非线性相移不利于产生稳定的超短脉冲，因此平衡谐振腔内色散与非线性，增益与损耗间的相互作用是实现超短脉冲输出的关键。为实现皮秒或者飞秒量级的超短脉冲输出，通过一定方式将激光器谐振腔中各个纵模相位关系固定形成周期性的脉冲序列的锁模技术［5］是一种有效手段。通过精细控制谐振腔腔内的净色散，大致可分为负色散、色散管理以及正色散腔三类锁模光纤激光器，分别对应产生拥有凯莉边带的传统孤子、无边带平滑包络的色散管理孤子或自相似孤子以及陡峭光谱边沿的耗散孤子［6］。

激光器常用的锁模方式一般分为主动锁模和被动锁模。主动锁模需要在谐振腔内增加调制器件，利用射频信号对光场实现周期性的幅度或相位调制。这种锁模方式很容易获得高重复频率的脉冲，在通信领域有着巨大应用潜力。主动锁模存在较大缺陷，调制器增加了腔型结构复杂程度，成本高昂，同时脉冲窄化程度受到调制器件自身响应时间影响，很难产生稳定的飞秒级超短脉冲。被动锁模技术的思路同样是对脉冲进行调制。不同之处在于，被动锁模技术仅利用增益材料本身的非线性效应或者可饱和吸收体（Saturable Absorber，SA）的吸收特性，腔内无需额外的调制器即可产生超短脉冲。相较于主动锁模技术，被动锁模激光器结构更加紧凑、简单，输出脉冲可达到飞秒量级。

被动锁模技术由于自身优势，在目前产生超短光脉冲的技术中应用最广，研究最多。经过研究人员不懈努力，发展了不同方式的被动锁模技术，包括：非线性光纤环形镜［7］、非线性偏转旋转［8］、低维纳米材料饱和吸收体［9-10］、半导体可饱和吸收镜［11］、非线性多模干涉［12］、Mamyshev 振荡器［13］以及时空锁模［14］等。可饱和吸收体是一种具有确定损耗的元器件，利用可饱和吸收体对输入脉冲的强度依赖特性可在腔内产生脉冲的自幅度调制。由于脉冲前后沿及峰值处的强度不同，当脉冲在腔内循环经过增益介质，不同部分得到的增益也不同，会出现存在能量强弱差别的脉冲。当脉冲撞击可饱和吸收体时，非线性吸收效应会滤掉低能量脉冲而几乎无损通过高能量脉冲，在这个过程中脉冲得到窄化且相位趋于固定。脉冲在腔内多次循环，脉冲的前后沿会持续衰减直至激光器达到稳定状态。可饱和吸收体的几个重要参数包括响应波长范围、可饱和强度、弛豫时间（从漂白状态恢复时间）以及调制深度。因此，选择适当的可饱和吸收体才能实现自启动，稳定的锁模脉冲输出。为进一步理解超短脉冲光纤激光器的研究和应用，本文综述了目前不同类型可饱和吸收体被动锁模光纤激光器的研究进展，包括近几年出现的新锁模技术，阐述了各自的原理以及技术优势，并对超短脉冲光纤激光器的应用前景和发展趋势进行了展望。

1 非线性偏振旋转技术

非线性偏振旋转技术（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）指利用非线性光学效应对输入脉冲的强度依赖性，通过一定方式控制脉冲偏振态并通过检偏器进行偏振选择产生超短脉冲。典型的NPR 锁模光纤激光器结构如图1［15］。核心器件主要由偏振控制器（Polarization Controller，PC）和偏振相关光隔离器构成。其基本原理为利用隔离器产生单向线性偏振光，调节PC2 得到椭圆偏光，利用光纤中的非线性效应改变脉冲的偏振态。通过PC1 配合隔离器形成等效可饱和吸收体滤掉脉冲低能量部分，多次在腔内循环实现脉冲的窄化，输出超短激光脉冲。

1992年，英国南安普顿大学MATSAS V J 课题组［16］将NPR 技术引入光纤激光器中实现了自启动锁模，整个谐振腔为全光纤结构，可以实现光谱带宽为1.68 nm，脉宽为1.55 ps 的锁模脉冲输出。除了全光纤结构外，NPR 锁模光纤激光器还可以使用空间透镜和光纤结合的方式构建谐振腔，典型的结构如图2［17］。空间光路中四分之一波片可以将任意偏振态的光变为线偏振光，二分之一波片用于改变偏振光的偏振方向，两者的组合可以起到等效检偏器的作用；偏振光束分束器可以将光调节为线偏振光，相当于起偏器。

NPR 锁模激光器从20世纪末提出到现在一直是超快激光器领域的研究热点，近些年在输出光谱带宽，压缩脉冲宽度，提高输出功率，提升重复频率方面取得了突破性的进展。

2010年，北京大学张志刚课题组利用NPR 锁模技术结合腔外棱镜对压缩脉冲，在掺铒光纤激光器中实现了37.4 fs 的超短脉冲输出。由于谐振腔中使用了尾纤仅5～7 cm 的迷你光纤准直器以及厚度仅2 mm 的法拉第隔离器，极大地缩短了腔长，脉冲重复频率高达225 MHz［18］。2013年，波兰弗罗茨瓦夫工业大学KREZEMPEK K 课题组在全光纤NPR 掺铒锁模光纤激光器中将隔离器、波分复用器以及输出耦合器集成为一个三合一器件，实现了脉冲宽度93 fs，重复频率205 MHz 的超短脉冲输出［19］。2015年，上海交通大学邹卫文课题组利用NPR 和半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM）混合锁模机制，通过优化谐振腔内色散和非线性，实现了稳定的宽谱谐波锁模脉冲输出，最高实现了稳定的8 阶谐波锁模，信噪比大于75 dB，边模抑制比60 dB，重复频率666.7 MHz，光谱带宽最大为181 nm，压缩后脉冲宽度91 fs［20］。由于锁模光纤激光器已经能够产生脉冲能量在纳焦量级，兆赫兹重频的亚百飞秒脉宽，为了进一步提高锁模脉冲的重复频率，2016年，德国马克斯普朗克光学研究所PANG M 等利用NPR 技术在全光纤激光器中实现了亚百飞秒，1.87 GHz 重频的超短脉冲输出，实验装置如图3。该工作中，通过插入色散补偿光纤来进行色散管理，利用在线起偏器和色散补偿光纤组合引入光谱滤波效应，实现了宽带的展宽孤子输出。这种展宽孤子的脉冲能量比传统的展宽脉冲和耗散孤子低一个数量级，但时域呼吸比提高了10 倍，这种特性十分适合用来产生高重频超短脉冲［21］。

为了进一步简化NPR 锁模光纤激光器的腔型结构，提高其紧凑性，2017年，北京工业大学宋晏蓉课题组在基于NPR 技术的掺镱光纤激光器中，空间部分仅使用了一个偏振光束分束器作为输出端，无任何PC 件以及滤波器，缩短了空间光路，通过改变光纤的状态即可实现稳定的锁模脉冲输出［22］。在NPR 锁模光纤激光器平均功率输出方面，2019年，山东师范大学张华年课题组将全光纤NPR 掺铒锁模激光器的平均输出功率提高到174 mW［23］。2022年，东京大学ZHAO Z H 等通过色散补偿，在NPR 掺镱光纤激光器中实现了宽谱自相似孤子输出，10 dB 带宽可达115 nm，平均输出功率105 mW，这对于设计宽谱锁模光纤激光器有一定的参考意义［24］。同年南京科技大学李丽课题组通过将NPR 技术集成到Dy：ZBLAN 光纤激光器中证明了在575 nm 处的耗散孤子共振脉冲，是迄今为止基于光纤锁模激光器能实现稳定锁模运转的最短中心波长。激光器平均输出功率最大达到240 mW，重频为100 MHz，输出最大脉冲能量为2.4 nJ，最小脉宽为83 ps［25］。

可以看出，基于NPR 技术锁模光纤激光器的研究从未停止，但不可否认这类锁模激光器存在很大的限制。主要因为传统全光纤腔内的NPR 锁模技术是采用标准的单模光纤，由于非线性克尔效应，椭圆偏振的主轴随着在光纤中的传输而旋转，旋转的角度与光强有关，等效为类可饱和吸收体。因此，需要精确调节PC 来选择合适的偏振状态满足实际需求。这种锁模方式对热以及机械应力很敏感，导致激光器对环境扰动的抗干扰能力较差。科研人员在实验中引入保偏光纤以获得高稳定性的光纤激光器。1993年，美国密歇根大学FERMANN M E 等率先构建了基于NPR 的全保偏法布里-珀罗型掺铒超快光纤激光器，产生了脉宽短至200 fs，单脉冲能量为70 pJ，重复频率为100 MHz 的超短脉冲输出，证明了在NPR 光纤激光器中利用保偏光纤可以实现稳定的锁模脉冲输出［26］。2016年，山东大学卓壮课题组采用交叉熔接的方法补偿腔内双折射效应，在基于保偏光纤的NPR 锁模光纤激光器中成功实现了超短脉冲输出。实验装置如图4，交叉熔接的原理是将一段保偏光纤的快（慢）轴与另一端保偏光纤的慢（快）轴进行交叉熔接，当两端保偏光纤的长度和双折射参数合理匹配，可以极大地消除光纤双折射的影响，最终得到了单脉冲能量为2.1 nJ，脉冲宽度为11.7 ps 的超短脉冲输出［27］。

虽然交叉熔接方式已经被证明可以在NPR 光纤激光器中实现锁模脉冲输出，但是谐振腔内还存在固体器件，且输出脉冲宽度未到飞秒量级。2017年波兰科学院STEPANENKO Y 课题组在全光纤NPR 锁模激光器中采用全保偏光纤来代替单模光纤实现飞秒脉冲输出，结构如图5，在掺镱光纤激光器中采用交叉熔接方式实现了基频为20.54 MHz，信噪比超过80 dB，脉宽150 fs 的超短脉冲输出［28］。

2018年华东师范大学李文雪课题组通过设置适当的熔接角度，在实验中搭建了一种NPR 锁模技术的保偏掺镱光纤激光器，获得了重频为111 MHz，脉冲能量为0.47 nJ 的激光输出［29］。这项工作证明了全保偏NPR 光纤激光器对环境影响有很强的抵抗能力，拥有相当好的稳定性，测试的时间抖动和相对强度噪声分别为6.41 fs 和0.005 2%，良好的噪声性能使这类激光器很有竞争力。

虽然NPR 锁模方式响应时间快、损伤阈值高，但其中的偏振控制一直是一大难题。传统的人工调节偏振费时且低效，对于锁模状态的调节十分困难。尤其是激光器需要实现调Q 锁模或高次谐波锁模等特殊状态时，进一步提高了对偏振调节精度的要求。NPR 光纤激光器的抗干扰能力差，锁模状态易受到外界扰动而无法稳定保持，失锁后无法及时恢复易损坏器件和设备。而自动锁模技术的发展很好地解决了这一问题。

自动锁模通常指的是利用计算机智能算法控制锁模谐振腔中的电控器件来代替人在锁模调节过程中的作用。自动NPR 锁模的核心技术是通过智能算法和控制系统共同作用实现锁模操作，智能系统检测到腔内的偏振态发生变化时，会快速调整偏振器件，消除外部环境对锁模光纤激光器的干扰，该锁模方式可以根据周围环境变化更快地实现锁模。2010年德国研究所HELLWIG T 课题组利用遍历算法演示了自动锁模技术，如图6，加入压电挤压器的自动PC 算法来自动改变腔内偏振状态实现锁模，成功地表征了NPR 全光纤掺铒激光器［30］。

2012年，华东师范大学曾和平课题组基于遍历算法，在NPR 掺镱光纤激光器中实现了自动锁模。实验装置如图7，图7（b）为激光器由自由运转到稳定锁模时域波形演变图。该工作将反馈方案引入自动锁模领域，但在特殊条件下仍需要手动调节PC 来实现锁模，该工作对自动锁模技术的发展产生了巨大的影响［31］。2014年，中国科学技术大学李莎等基于类似的工作原理，进一步缩短了实现初始锁模的时间（＜90 s）［32］。

在后续的研究中，通过对算法的改进和优化进一步推动了自动锁模的发展，其中一项为基于机器学习算法，通过深度学习结构和数值仿真的模型预控制结合，在仿真中成功实现自动锁模［33-36］。另一项为基于最优化算法，极大地缩短了寻找锁模状态的时间，是目前自动锁模领域的热点方向［37-45］。

自动锁模技术的发展解决了传统NPR 光纤激光器中偏振调节问题并提高了自主控制能力，缩短了锁模时间，进一步提高了激光器稳定性，对于NPR 锁模光纤激光器的发展有重要影响。

2 非线性光纤环形镜

非线性光纤环形镜（Nonlinear Optical Loop Mirror，NOLM）和非线性放大环形镜（Nonlinear Amplifying Loop Mirror，NALM）易获得稳定的超短脉冲输出，拥有材料可饱和吸收体所不具备的损伤阈值高、响应速度快、不会随时间推移性能衰退等优点［46］。非线性光纤环形镜的工作原理可以用图8 中的模型来描述［47］，因为其形状和数字8 接近，又称为8 字腔。该模型由耦合器的一端两段光纤相互熔接而成，耦合器的耦合比为α∶（1－α）。入射光E1经过耦合器后，被分为传输方向不同，并且光场强度大小不一的两束光，腔内的非线性效应使两束光获得的相移量发生不均匀变化，最终实现脉冲窄化形成稳定的锁模运转。对于NOLM 而言，采用这种锁模方式前期需要对单模光纤的长度以及光纤耦合器的分光比进行合理的设计。NALM 在NOLM 的基础上做了进一步的优化，在双向环中加入有源光纤，从而达到对两束光的相移量进行操控，增益光纤的加入使NALM 可以在更短的环长下实现锁模，提高输出脉冲的重复频率，也使锁模自启动变得容易。

自1991年，华盛顿海军研究实验室报道了基于NOLM 实现稳定的传统孤子脉冲锁模光纤激光器以来，NOLM 锁模光纤激光器被相继报道［48］。2007年，西安光机所赵卫课题组在基于NOLM 的8 字腔锁模光纤激光器中实现了重复频率为24 MHz 的色散管理孤子脉冲［49］。2008年，墨西哥光学和电子学研究所ESCAMILLA I 课题组实现了自启动8 字腔锁模光纤激光器。该设计基于功率平衡的NOLM，在环路中加入高度扭曲的低双折射光纤和四分之一延迟器。通过设置四分之一延迟器角度来调节NOLM 的透过率从而实现自启动锁模。激光器能够以0.78 MHz 的基频产生约20 ps 的脉冲［50］。2014年，电子科技大学李剑峰课题组演示了一种基于NOLM 的掺铥全光纤自启动锁模激光器。在中心波长为2 017.33 nm 处产生了3 dB 带宽为1.56 nm、重复频率为1.5 MHz、脉冲能量为83.8 pJ 的稳定孤子脉冲［51］。2018年，华南师范大学罗爱平课题组在掺铒8 字腔中实现了共存的高斯型和矩形类噪声脉冲，通过调节腔内泵浦功率以及PC，可以灵活地改变两种脉冲出现的数量［52］。2020年，华南师范大学张庆茂课题组采用40/60 的NOLM 光谱滤波设计了一种全保偏振正色散锁模光纤激光器，研究了输入脉冲平均功率、光纤长度和耦合比对NOLM 光谱滤波效应的影响，实验上验证了NOLM 的光谱滤波效应，设计了NOLM 作为单独光谱滤波器件的全保偏锁模光纤激光器［53］。

为了提高NOLM 锁模光纤激光器的环境稳定性，研究人员逐渐把目光聚焦到全保偏8 字腔研究上。实现的关键点是将标准单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）替换为保偏光纤，用以提升激光器的环境稳定性。2012年，奥克兰大学AGUERGARAY C 课题组报道了第一台全保偏光纤的8 字腔锁模光纤激光器，该激光器可以视为由两个独立的部分组成，其中包括带有有源光纤的单向环，可得到能量为0.3 nJ，脉宽为7.6 ps 的脉冲，通过腔外光栅对能压缩至344 fs，如图9。通过增加额外的光纤长度，可以在不显著改变激光器输出特性的情况下实现6～10 MHz 的重复率调谐。双增益的加入可以更好地控制和更容易地实现锁模运转。由于所有组件都是保偏的，不会随着时间的推移而退化，因此该激光器现已累计连续工作近3 000 h，锁模操作没有任何中断或波动，证明了设计的稳定性［54］。

同年，奥克兰大学ERKINTALO M 课题组构建了对热应力和机械应力不敏感的全保偏锁模光纤激光器，如图10。数值模拟表明，通过在适当位置增加SMF 延长谐振腔，可以增大输出振荡器的能量和持续时间。同时，在实验中展示了通过改变SMF 来控制输出脉冲特性（能量、持续时间），在10 MHz、3.7 MHz、1.7 MHz 下实现稳定的锁模，相应的脉冲能量为2.3 nJ、10 nJ、16 nJ。图11 中显示了输出脉冲时间随着输出功率的增加而变化。从图11（a）可以看出，通过在谐振腔中加入不同长度的SMF 可使输出脉冲脉宽不断改变，但仍保持恒定的峰值功率。这在图11（b）和（c）中也得到了证实。模拟输出脉冲的能量和持续时间绘制为SMF 长度的函数，如图12（a）。可以看到输出能量最初增加，但在光纤长度为30 m 处开始饱和，然后突然转变为线性增长状态。这种转变在图12（b）所示的输出光谱演变中也很明显，这表明在特定SMF 长度下，振荡器从一种锁模状态转换到另一种锁模状态［55］。

由于非线性相移在环中的积累不足，导致难以实现锁模，需要通过一定方法提供足够初始相移来启动锁模。目前常用的方式包括提高泵浦功率、增加主环中光纤长度或者加入非对称互易元件等。加入非对称互易元件的方法相比于其他两种方法具有结构简单、提高重复频率等优势，受到了越来越多的关注。全光纤结构的8 字腔为了获得足够的非线性相移在双向环中加入大量SMF，从而使激光器的重复频率普遍较低，无法使其在高重复频率得到利用，如频率梳等。近几年来，对传统8 字腔进行改进实现9 字腔结构引起了科研人员的关注。从原理上讲，9 字腔是在传统8 字腔的基础上，将次环打开，形状非常像阿拉伯数字“9”，故称之为9 字腔激光器。利用反射镜将透射光再反射到主环中，仍属于非线性环形镜的结构。相比于8 字腔，9 字腔的腔长更短，意味着脉冲重频会得到提升，同时移除了环形器或者隔离器等器件，减少了谐振腔内的插入损耗，激光器稳定性得到优化。但是随着腔长的减少，非线性相移积累不足会更加明显，激光器难以自启动锁模，需要采取其他手段进一步增加初始相移。

为了满足高重复频率的应用，目前最直接的方法为缩短腔长。2015年，天津大学胡明列课题组在全保偏改进8 字腔（如图13（a））中加入了四分之一波片以及法拉第旋转器作为非互易性元件实现了22.6 MHz 重复频率下的孤子锁模激光输出，输出平均功率为23.6 mW，直接输出脉宽为308 fs。由于全保偏8 字腔中保偏熔接机在熔接两段保偏光纤时对尾纤的长度存在一定的要求，所以很难缩短全保偏8 字腔中保偏光纤的长度，限制其重复频率的提高。为了解决这个问题，该课题组搭建了非保偏9 字腔激光器，并将法拉第旋光器置于两个四分之一波片之间使其可以提供一个初始相移。同时用30∶70 的光纤耦合器替代2×2 的光纤耦合器，进一步保证了非线性相移的积累，实验装置如图13（b）。在泵浦功率为600 mW 时，得到了中心波长为1 564 nm，3 dB 带宽为30 nm，重复频率为80 MHz 的脉冲输出［56］。

2018年，北京大学张志刚课题组引入部分空间器件，实现了更紧凑的9 字腔设计，如图14。为了尽可能缩短腔长，整个激光器只采用了一段长度为90 mm 的非保偏高掺增益光纤，其他均为空间器件。此外，弯曲增益光纤的曲率半径为22 mm，引入了0.39 dB 的损耗，对弯曲增益光纤进行偏振度测试，其偏振度保持在近99%。这种弯曲的增益光纤可以作为保偏光纤。最终，在710 mW 的泵浦功率下得到重复频率为700 MHz，脉冲宽度为215 fs 的锁模脉冲［57］。

2019年，日本名古屋大学NISHIZAWA N 等研究了色散管理全保偏掺铒9 字腔光纤激光器（如图15），系统研究了不同色散下9 字腔输出特性，得益于9 字腔响应时间快、调制深度大，得到了稳定的孤子、展宽脉冲以及耗散孤子。特别地，展宽脉冲输出最窄脉宽为132 fs，光谱带宽为46 nm［58］。

2020年，厦门大学罗正钱课题组搭建了635 nm 全光纤可见波长被动锁模皮秒激光器（如图16），采用共掺ZBLAN 光纤作为可见增益介质，实现可见光波段光纤激光锁模输出。通过求解Ginzburg-Landau 方程，从理论上预测和分析了635 nm 锁模脉冲在耗散孤子共振区域的形成和演化。该课题组还通过自制Pr/Yb 共掺ZBLAN 光纤的跳线高效地适配到SMF 上，降低损耗的同时提高了激光器的紧凑性，获得中心波长为635.04 nm 的耗散孤子共振输出，对应的3dB 带宽小于0.1 nm，并且具有可调的皮秒持续时间（96～1 298 ps）。通过调整PC 和泵浦功率，实现了稳定的类噪声脉冲锁模运转，且脉冲宽度从590 ps 到1 434 ps可调［59］。

2022年，山东大学刘一州课题组采用大模场面积双包层保偏光纤作为腔内的增益介质实现中心波长1 104 nm 的全保偏光纤锁模激光器，实验装置如图17。利用3.32 m 双包层掺镱光纤直接抑制了潜在的ASE，无需改变腔内光谱滤波器，仅改变腔内损耗即可将锁模激光器的中心波长从1 034 nm 移动到1 104 nm。通过腔外压缩实现传输和反射端口的脉冲持续时间分别为192 fs 和187 fs［60］。

NOLM 和NALM 已经被广泛地用作可饱和吸收器，因其较高的损伤阈值、易启动、高环境稳定性等优点，被大量应用在锁模光纤激光器中。但NOLM 锁模方式对腔内非线性相移的积累量要求较高，因此这类锁模光纤激光器的重复频率普遍较低。近几年，科研人员通过进一步的研究，采用不同手段来增加初始相移并提高激光器的重复频率，满足工业生活中对高重复频率特性的需求。此外，随着改进全保偏8字腔和9 字腔的提出，其环境稳定性和重复频率得到极大的提升，扩展了NOLM 锁模光纤激光器的应用空间。

3 非线性多模干涉

近年来，多模光纤由于损伤阈值高、价格低廉、性能稳定等优势，引起了其作为可饱和吸收体的研究。多模光纤中，梯度折射率多模光纤（Graded Index Multimode Fiber，GIMF）与传统的多模光纤不同，GIMF 中的所有导模可以在特定波长下以几乎相同的群速度传播。这种几何结构与非线性偏振旋转、非线性环形镜、碳纳米管等可饱和吸收体相比，插入损耗较小。基于非线性多模干涉锁模原理如图18［61］。光束在光纤中传输时由于非线性效应存在，不同光功率的折射率不同导致传输拍长发生变化，通过调整GIMF 的长度可以影响可饱和吸收效应。2013年，威斯康星大学MAFI A课题组对非线性多模干涉进行了详细分析，提出单模-渐变折射率多模-单模（SMF-GIMF-SMF）的结构，并对SMF-GIMF-SMF 几何形状作为非线性开关或饱和吸收体的可行性设计进行详细分析。

2015年，天津大学史伟课题组报道了新型被动调Q 全光纤激光器（如图19），采用SMF-GIMF-SMF 作为可饱和吸收体。在190～510 mW 的泵浦功率范围内，Er3+/Yb3+共掺光纤激光器在1 559.5 nm 处实现了稳定的调Q 工作，重复频率随泵浦功率从14.1 KHz改变到35.2 KHz，脉冲宽度从5.69 μs减小到3.86 μs。在平均输出功率为27.6 mW时，获得的最大脉冲能量为0.8 μJ。这为实现调Q全光纤激光源提供了一种新的调制机制［62］。

2016年，韩国光州科学技术研究院SHIN W 课题组用碲化铋沉积的空芯光纤制备了可饱和吸收体，如图20（a）。该可饱和吸收体除了作为锁模器件，同时也起到带通滤波器的作用，最终实现了2 μm 波段被动锁模光纤激光器，在重频为8.58 MHz的情况下，得到输出波长为1 958 nm，脉宽为46 ps的稳定脉冲输出［63］。

2017年，中国计量大学王兆坤等提出并演示了一种由SMF-SIMF-GIMF-SMF 结构组成可饱和吸收体的锁模激光器（如图21）。图22 为SIMF-GIMF 结构示意图。与理论上提出的SMF-GIMF-SMF 结构相比，SIMF 的引入消除了GIMF 长度的限制，并提供了一种更灵活的基于非线性多模干涉效应的可饱和吸收体制作方法。将器件弯曲到一定状态，可饱和吸收体的调制深度为3.16%。锁模激光输出脉宽为446 fs，3 dB带宽为4.48 nm，重频为11.73 MHz［64］。

同年，中国计量大学徐时清课题组采用类似的可饱和吸收体结构，实现了2 μm 全光纤锁模激光器（如图23）。180 mW 的泵浦阈值下实现了稳定的锁模运转，输出孤子脉冲的中心波长、光谱宽度、脉宽和重频分别为1 888 nm、3.6 nm、1.4 ps 和19.82 MHz［65］。

2018年，中国计量大学王兆坤课题组利用GIMF 纤芯和包层的腐蚀特性不同，使用氢氟酸腐蚀光纤端面，在腐蚀端面上形成微孔，并将其两端与SMF 熔接，构建如图24 的可饱和吸收体。在这种情况下，GIMF的长度没有限制，意味着带有内部微腔的SMF-GIMF-SMF 结构可以提供一种灵活的方式来产生超短脉冲。将SMF-GIMF-SMF 结构弯曲到一定状态时，可饱和吸收体的调制深度为1.9%，把该结构引入如图25的环形掺铒光纤激光器中，产生了重频为14.34 MHz，脉宽为528 fs 的超短脉冲［66］。

同年，中国计量大学王东宁课题组提出了拉伸GIMF 结构作为掺铒锁模光纤激光器的可饱和吸收体（如图26）。该工作详细阐述了GIMF 可饱和吸收体的物理机制，将GIMF 拉伸到23.5 cm，调制深度可控（10.37%～22.27%），插入损耗小于2.2 dB。此外，还可以通过拉伸GIMF 来调整传输峰值。在此基础上，实现了波长可切换掺铒全光纤锁模激光器，获得了脉冲能量大于90 pJ的亚皮秒脉冲［67］。

2019年，中国计量大学王东宁课题组将一种无芯光纤（No-core Fibe，NCF）引入GIMF 结构中，同时作为可饱和吸收体和高精度可调谐滤波器。基于NCF-GIMF 的可饱和吸收体调制深度为4.7%，饱和强度为0.14 μJ∕cm2。利用该器件，在如图27 的掺铒锁模光纤激光器中仅通过拉伸光纤器件，就可以在正常色散区以可控的脉宽和光谱带宽实现稳定的锁模运转，并产生了脉宽为7.7～23 ps 的孤子脉冲。实验结果展示了NCF-GIMF 结构器件在不同实验要求下控制脉冲动力学的通用性和灵活性［68］。

2020年，中国科学技术大学许立新课题组将一段3 cm GIMF 与7 cm GIMF 进行错位熔接，GIMF 的芯径分别为62.5 μm、50 μm，得到如图28 的SMF-GIMF-SMF 结构，并将其作为可饱和吸收体与NPR 技术相结合实现混合锁模。通过同时采用两种不同的锁模机制，激光器可以输出更短的脉冲，具有高信噪比和低噪声抖动等优点。在110 mW 的泵浦功率下，产生了脉冲持续时间为1.8 ps、重复频率为49.80 MHz的锁模脉冲序列［69］。

2021年，该课题组又报道了一种基于非线性多模干涉效应的可切换单波长和双波长全光纤超快锁模激光器。可饱和吸收体结构如图29，由锥形光纤与GIMF 锥形光纤组成。锥形光的使用不仅减少了对GIMF长度的依赖，而且简化了可饱和吸收体的制备。可饱和吸收体的调制深度为9%。通过适当调整腔内损耗和PC 以实现稳定的可切换单波长和双波长锁模。同时，可以观察到单波长谐波锁模，具有相同调制周期的中心波长可以在1 558 nm 到1 531 nm 之间切换［70］。

2022年，长春大学金亮课题组提出了一种锥形SMF-GIMF-SMF 的谐波锁模新方法。将GIMF 和SMF 之间的拼接点进行锥形化，不仅缩短了自成像点的周期，消除了非线性多模干涉锁模对多模长度的依赖，而且放宽了锁模对光纤长度精确要求的限制。在掺铒光纤激光器中引入如图30 直径为15 um 的锥形SMF-GIMF-SMF 作为光开关，以实现中心波长为1 558.38 nm，脉宽为1.52 ps，最大可达16 阶谐波锁模，相应的重频为285 MHz 的稳定谐波锁模。随着泵浦功率增加到125 mW、160 mW、190 mW、230 mW 和300 mW，谐波阶数从基波到第2、4、6、7 和16 阶单调变化，分别对应36 MHz、72 MHz、104 MHz、127 MHz 和285 MHz 的重复率。图31（a）和图31（b）分别显示了四种不同的谐波阶数和对应于每个谐波阶数的脉宽。图31（c）显示了锥区SMS 的直径为15 μm 时，第16 阶谐波锁模的信噪比可以稳定在51 dB 左右。图31（d）显示了在不同时间观察到的第16 阶谐波锁模的重复率，这验证了谐波锁模的稳定性。这种基于锥形单模光纤的谐波锁模方式为全光纤谐波锁模激光器的应用提供了新的思路［71］。

相对于其他锁模方式，多模光纤可饱和吸收体具有全光纤集成、性能稳定、价格低、调制深度可控以及波长可调谐等优点，这种全光纤结构的锁模光纤激光器为高功率、轻便化的锁模光纤激光器提供一种新的解决办法以及更大的应用前景。因此，深入研究多模光纤锁模光纤激光器具有重要意义。

4 纳米材料可饱和吸收体锁模技术

基于低维纳米材料可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器结构简单、成本低，可产生飞秒量级超短脉冲，是目前锁模光纤激光器研究热点方向之一［72］。低维纳米材料可饱和吸收体的工作原理如图32［73］。材料对入射光的吸收能力取决于入射光的强度。当入射光强度较低，材料未达到饱和状态则吸收光子，此时光透过率降低。随着入射光功率的增加，材料的吸收逐渐达到饱和状态，这表明材料被漂白不再吸收光子，光透过率达到最大值。拥有良好光学性能的材料可饱和吸收体作为锁模器件，是输出超短脉冲的有力保证。

随着研究的不断深入，越来越多种类的纳米材料被证明拥有良好的物理光学特性，可以用来作为新型可饱和吸收体，例如碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物、黑磷和一些金属氧化物等新型材料相继被用于被动锁模光纤激光器。低维纳米材料被引入光纤激光器中作为锁模器件最早可追溯到2003年，日本科学家SET S Y 等将单壁碳纳米管作为可饱和吸收体分别在环形和线形腔中实现了锁模脉冲输出，最短脉宽达到318 fs［74-75］。该技术的发展，极大地拓宽了超快光纤激光器的锁模器件选择范围，越来越多的低维纳米材料被应用于光纤激光器中实现超短脉冲输出。

2004年，英国曼彻斯特大学的GEIM A 和NOVOSELOV K 从石墨薄片中成功地剥离出石墨烯［76］。石墨烯是一种零带隙结构材料，正是因为这种结构的特殊性，使其表现出独特的光饱和吸收特性，从而促进了其在锁模领域的发展。2009年，新加坡国立大学鲍桥梁等证明石墨烯可以作为可饱和吸收体实现稳定锁模，并且得到了脉冲宽度为756 fs 的超短脉冲，实验装置如图33［77］。

原子层石墨烯具有波长不敏感的超快饱和吸收，可以作为全波段锁模器件。2010年，新加坡南洋理工大学张晗等利用石墨烯的宽带可饱和吸收特性，搭建了掺铒锁模光纤激光器，实验上证明了原子层厚度的石墨烯可以作为理想的锁模器件。通过调节泵浦功率和PC，在掺铒光纤激光器中可以形成宽范围（1 570～1 600 nm）连续波长可调谐的耗散孤子，脉宽从140～40 ps 可调，光谱带宽在3～9 nm 变化［78］。同年，英国剑桥大学POPA D 等利用石墨烯搭建了一台色散管理锁模光纤激光器，产生了信噪比超过87 dB，脉宽为174 fs 的超短脉冲［79］。2015年，波兰弗罗茨瓦夫理工大学SOTOR J 课题组利用石墨烯在掺铒光纤激光器中产生了脉宽88 fs 的锁模脉冲输出［80］。2019年，北京航空航天大学付博课题组在基于石墨烯锁模光纤激光器中观察到了稳定的720 fs、最高26 阶谐波锁模脉冲［81］。除了石墨烯，石墨烯材料衍生物包括氧化石墨烯、还原氧化石墨、功能化石墨烯等也被广泛应用于锁模光纤激光器中［82-87］。2021年，本课题组在单模掺铒光纤激光器中使用羧基氧化石墨烯获得了可切换的单波长和双波长飞秒孤子。通过适当调整泵浦功率，可以在反常色散区灵活地获得单波长和双波长飞秒脉冲。光纤激光器在1 560.1 nm 处产生了稳定的单波长常规孤子，脉冲宽度为548.1 fs。通过调节泵浦功率，可以获得1 531.9 nm 和1 555.2 nm、间距约为23 nm 的双波长脉冲输出［88］。2022年，本课题组设计了一种基于羧基氧化石墨烯的新型无边带光纤激光器，实现了单波长和双波长的切换和调谐，实验光路如图34。在同一谐振腔中利用两种不同机制实现了双波长脉冲产生。其中，基于自发辐射峰双波长脉冲表现出良好的稳定性。双波长的波长差可以在5～13 nm 之间变化，其相应双波长的重频差可以从444 Hz 增加到1 019 Hz［89］。

碳纳米管和石墨烯类似，都是最早被研究的纳米材料。碳纳米管有十分优异的物理光学性质，如尺寸小、柔韧性强、导电性能优异的物理性质以及对宽带光谱具有与偏振无关的吸收作用、超快的恢复时间等光学性质。2003年，碳纳米管被成功应用于锁模光纤激光器中［75］，近些年对于碳纳米管的研究一直持续。2010年，亚利桑那大学KIEU K 等报道了至今为止碳纳米管可饱和吸收体在光纤激光器中的最窄脉冲宽度输出，其结构如图35。激光器内的色散由包含正负色散的光纤补偿至近零色散区域，直接输出脉冲宽度为220 fs。之后输出的超短脉冲经过一级光纤放大以及高非线性光纤拓宽光谱后得到1 000～1 750 nm的超宽光谱，最终采用棱镜对对其三阶色散进行精确补偿，实现了17 fs 的脉冲输出［90］。2015年，波兰弗罗茨瓦夫理工大学SOTOR J 课题组利用碳纳米管作为可饱和吸收体，在全保偏掺铒光纤激光器中通过调节光纤长度实现了重频高达358.6 MHz，脉宽为240 fs 的超短脉冲输出［91］。2018年，深圳大学阮双琛课题组利用调制深度可控的碳纳米管（4.5%～14.5%），在掺铒光纤激光器中分别实现了调Q、锁模，以及孤子分子等不同状态［92］。2019年，本课题组采用反射光栅实现了基于单壁碳纳米管全正色散可调谐掺镱锁模光纤激光器。可调谐波长覆盖1 004～1 059 nm，整个调谐范围内光谱的半高宽为1.6 nm［93］。同年，上海大学刘奂奂等利用碳纳米管，实现了L 波段波长可切换锁模光纤激光器。中心波长可以在1 572.9 nm 和1 596.6 nm 之间切换，脉宽均为1.8 ps［94］。

拓扑绝缘体在凝聚态物质中得到了深入的研究，与石墨烯相比，拓扑绝缘体不仅具有宽带可饱和吸收特性，还兼备了高调制深度和高损伤阈值等特点，这表明拓扑绝缘体可以成为一种比较理想的可饱和吸收体。2012年，拓扑绝缘体被证明在通讯波段有饱和吸收特性［95］。同年，湖南大学文双春课题组利用Bi2Te3可饱和吸收体在掺铒光纤激光器中实现了超短脉冲输出，其实验装置如图36。其中Bi2Te3可饱和吸收体具有非常高的调制深度（高达95.3%），激光器输出脉冲的中心波长为1 558.4 nm，光谱带宽为2.69 nm，脉宽为1.86 ps［96］。随后，Sb2Te3、Bi2Se3等被相继应用于锁模光纤激光器［97-104］。

除了石墨烯和拓扑绝缘体，过渡金属硫化物也是受到研究人员广泛关注的新型材料。这类材料具有较大的带隙可调性，其能带结构随层数的变化而改变，同样可通过改变层数厚度来实现。因为这些优点，过渡金属硫化物可以作为性能优异的可饱和吸收体应用于被动锁模光纤激光器中。2014年，新加坡国立大学LOH K P 课题组制作了一种新型的MoS2饱和吸收器件，该器件成功运用到掺镱光纤激光器中，并实现了中心波长1 054 nm，脉冲宽度800 ps 的耗散孤子脉冲，实验装置如图37。该工作表明MoS2可饱和吸收体有在近红外波段作为锁模器件的潜力［105］。

2017年，麦肯齐长老会大学AIUB E J 等将MoS2薄片沉积到聚乙烯醇和聚甲基丙烯酸甲酯的叠层上，然后直接转移到侧面抛光的D 型光纤上耦合进谐振腔内，实验装置如图38，在掺铒光纤激光器中产生了脉冲宽度为200 fs 的超短脉冲［106］。随后将WS2、MoSe2、WSe2等材料用于被动锁模的各种实验被相继报道。在过去的两年中，二维过渡金属硫化物作为可饱和吸收体的研究已扩展到第10 组元素，尤其是铂和钯过渡金属硫化物（PtS2、PtSe2、PtTe2和PdS2）。2020年，香港理工大学深圳研究院CHENG P K 课题组用新型的二维层状PdSe2材料作为掺铒光纤激光器的可饱和吸收体，其中PdSe2的调制深度为7.01%。在泵浦功率为230.4 mW 时，实现的脉冲持续时间为766 fs，对应的中心波长和光谱带宽分别为1 566 nm 和4.16 nm［107］。2022年，湖南大学赵楚军课题组利用VSe2纳米片可饱和吸收体，从掺铒锁模光纤激光器中获得了脉宽为714 fs、中心波长为1 565.8 nm、3 dB 带宽为4.3 nm、信噪比为78.44 dB 的传统孤子［108］。

黑磷具有带隙与其层数有关、较高的载流子迁移率和宽光谱响应等优点，且带隙可以在较大的范围内进行调节，因此作为宽带可饱和吸收体应用于光纤激光器中。2015年，深圳大学张晗课题组在掺铒光纤激光器中采用黑磷可饱和吸收体实现了调Q 和锁模输出［109］。同年，波兰弗罗茨瓦夫理工大学SOTOR J 课题组利用黑磷可饱和吸收体在掺铥光纤激光器中实现了超短脉冲输出，如图39。其结果表明，黑磷在2 μm 波长范围，支持超短脉冲生成，输出中心波长为1 910 nm，脉冲宽度为739 fs 的脉冲［110］。

紧接着上海交通大学钱列加课题组通过将机械剥离的黑磷转移到镀金反射镜上，成功地制备了中红外黑磷可饱和吸收镜，证明了输出波长为2.8 μm 的中红外黑磷被动锁模光纤激光器的可行性，其最大平均输出功率为613 mW，重复频率为24 MHz，脉冲持续时间为42 ps［111］。除上述几种可饱和吸收体外，最近的研究中发现MXene、钙钛矿、锑烯、铋烯等越来越多的新型材料可以被用作为可饱和吸收体使用。2017年韩国首尔大学JHON Y I 课题组在实验中证明TI3CN 可以作为一种优良的锁模可饱和吸收体，并在光纤激光器中产生稳定的超短脉冲，获得重复频率为15.4 MHz、中心波长为1 557 nm、脉冲宽度为660 fs 的激光脉冲［112］。2020年，陕西师范大学李晓辉课题组基于少层铋烯，提出了一种具有谐波锁模和双波长锁模共存的光纤激光器，实验装置如图40。结果表明，基于少层铋烯的超短脉冲激光可以应用于泵浦探针实验和可调谐太赫兹辐射产生［113］。随后，2021年深圳大学张晗课题组运用Nb2CMXene 可饱和吸收体产生中心波长1 882 nm，重复频率为411 MHz 的69 阶谐波锁模脉冲［114］。

SESAM 得益于半导体材料优异的特性，在谐振腔中可以自主实现锁模，且饱和吸收效果好，锁模更加稳定。此外，SESAM 的调制深度、吸收波长、恢复时间可以在制备的过程中灵活调控，同样也可以集成在光纤反射镜上实现全光纤化，因此，在被动锁模光纤激光器中被广泛应用。1992年，瑞士KELLER U 团队设计了Nd：YLE 激光器，利用新型低损耗快速腔内半导体法布里-珀罗可饱和吸收体，在220 MHz 重复频率下实现了3.3 ps 的脉冲输出［115］。一年后，SESAM 便在光纤激光器中得到了应用。英国南安普顿大学LOH W H 等采用分子束外延方法生长SESAM 作为端镜，在线型腔中得到了7.6 ps 的锁模脉冲输出［116］。2009年，天津大学胡明列课题组将高增益掺镱光子晶体光纤引入到锁模光纤激光器中，直接使用0°角光纤端面作为腔镜，并利用SESAM 和光栅对的滤波作用实现了稳定的锁模运转，如图41。通过调节滤波程度，实现了从宽带滤波锁模到窄带滤波锁模的连续可调谐［117］。

2017年，上海光学精密机械研究所周军等提出了一种基于SESAM 的宽调谐全光纤锁模激光器。实验中利用一种商用可调谐带通滤波器来调谐波长，通过调整滤波器和偏振控制器，可以在1 023 ～1 060 nm范围内实现锁模运行，实验装置如图42［118］。在105 mW 泵浦功率下得到了3-dB 带宽0.23 nm，中心波长1 030.1 nm，脉宽为15.4 ps 的脉冲输出。2018年，长春理工大学金亮课题组报道了一种双SESAM 被动锁模超短脉冲光纤激光器，与含有单个SESAM 的锁模光纤激光器相比，双SESAM 的加入，可以获得单脉冲能量更大，脉冲宽度更窄的脉冲。这是由于增加了SESAM 的数量，使得可饱和吸收体对脉冲前后沿的吸收增加，有助于压缩脉冲宽度和提高单脉冲能量。在相同的调制深度下，双SESAM 锁模光纤激光器输出脉冲宽度由693 fs 降低到449 fs，脉冲能量由2.92 nJ 提高到5.31 nJ，对应结果如图43［119］。

2021年，山东大学赵志刚等展示了一种稳定的被动锁模掺铒光纤激光器（如图44），其重复频率高达5 GHz。采用净增益系数1 dB/cm 的光纤作为增益介质。输出脉冲中心波长为1 561.0 nm，信噪比为62.1 dB，带宽为0.69 nm。放大后，脉冲宽度和光谱带宽测量为3.86 ps 和1.16 nm，时间带宽乘积为0.55，略高于高斯形脉冲的变换极限［120］。

二维材料具有宽光谱吸收和环境稳定性高等优点，对于被动锁模光纤激光器的稳定输出有着重要作用。因此研究新型非线性吸收特性更佳的二维材料对促进被动锁模光纤激光器的发展有着重要价值。此外，如何提高损伤阈值、降低制造成本以及延长二维材料作为可饱和吸收体的使用寿命也值得科研人员进一步探究。

5 Mamyshev 振荡器

由于光纤中存在非线性效应，即使通过控制光纤振荡器腔内色散和非线性产生的高能量脉冲，在高泵浦功率下依然会发生分裂。为了获得与固体激光器性能指标可比拟的、更加稳定、更高单脉冲能量和高峰值功率的超短脉冲输出，科研人员不断努力提高光纤振荡器的峰值功率。图45 为2018年以前不同类型光纤振荡器的输出峰值功率图，其中加入了成熟商用的掺钛蓝宝石振荡器输出峰值功率用于对比［4，17，121-139］。从图中可以看出，输出峰值功率最高的光纤振荡器为Mamyshev 振荡器，其最高输出达到兆瓦量级，已经可以和商用的钛宝石固体激光器相比拟，Mamyshev 振荡器的提出极大地推动了高功率光纤振荡器的发展。

Mamyshev 振荡器主要由Mamyshev 再生器构成。Mamyshev 再生器于1998年在欧洲光通信会议上由贝尔实验室的MAMYSHEV P 提出，主要内容是基于光信号在非线性介质中的自相位调制效应以及采用光谱滤波应用于数据信号全光再生［140］。Mamyshev 再生器的原理如图46。假设入射脉冲的光谱带宽为Δω0，由于自相位调制效应的作用，入射脉冲经过展宽后其光谱带宽可表示为

式中，IP表示脉冲强度，n2为非线性折射率，λ为波长，L是非线性介质（光纤）的长度。如果脉冲强度足够大，当脉冲通过非线性介质后可满足

则受到自相位调制效应展宽的光谱会有部分通过滤波器，Δωshift为脉冲中心频率相对于入射信号载波频率的偏移。根据式（1），可估算

可以看出，输出脉冲强度Iω与入射脉冲强度无关，因此再生器的脉冲传递函数可表示为

式中，ICR为临界脉冲强度。对于再生器而言，方程式（4）和（5）是非常理想的传递函数，移除了噪声的同时振幅抖动也被抑制。

通过串联两个Mamyshev 再生器作为两臂既可构成Mamyshev 振荡器，其典型结构如图47［4］。每一个再生器都由一段增益、带通滤波器以及输出耦合器组成，为避免连续光起振，两个滤波器的中心波长有一定的偏移。当光脉冲通过Mamyshev 振荡器其中一臂时，由于自相位调制左右导致光谱展宽。若脉冲强度较低，光谱展宽量不够，则无法通过下一臂中的滤波器而逐渐消失。若脉冲强度足够，则展宽的光谱足够覆盖两臂中滤波器的光谱缝隙，则可以通过下一臂中的滤波器继续在腔内循环不断放大和窄化。这个工作机制可等效为饱和吸收效应，通过两臂不对称的滤波器可使脉宽持续窄化实现锁模最终得到稳定的超短脉冲输出。基于Mamyshev 再生器的优势，Mamyshev 振荡器拥有极大的调制深度，可以很好地抑制噪声得到非常稳定的超短脉冲。

Mamyshev再生器的提出，被广泛应用于光通信领域。2008年，加拿大麦克吉尔大学研究小组利用Mamyshev振荡器实现了脉冲源运转，并指出Mamyshev 振荡器拥有很大潜力作为一种新颖的方法来构建锁模光纤激光器［141］。随后，立陶宛研究小组和IPG 公司相继利用Mamyshev 振荡器产生了超短脉冲［137-138，142-143］。虽然在实验上已经验证了Mamyshev 振荡器在产生稳定的高能量超短脉冲具有巨大潜力，但是对其机制以及脉冲动力学过程的研究并不完全。

直到2017年，康奈尔大学FRANK W 课题组明确定义了Mamyshev 振荡器的概念并进行了系统的研究［139］。其搭建的全正色散Mamyshev 振荡器光路如图48，采用全保偏的掺镱光纤作为增益介质。利用反射式光纤光栅配合光纤准直器构成4 nm 带宽高斯型滤波器，两臂滤波器的反射波长分别为1 040 nm 和1 030 nm，不同于掺镱光纤增益谱峰值1 035 nm。数值模拟表明，Mamyshev 振荡器能产生无分裂的高能脉冲是由于克服了非线性效应的限制，通过有效管理腔内非线性产生了抛物线型脉冲，因而能容忍更大的非线性相移在腔内实现自相似放大。数值模拟结果显示，普通单模光纤构成的Mamyshev 振荡器可支持峰值功率超过10 MW 超短脉冲。实验中，得到了峰值功率为1 MW，重复频率为17 MHz，脉冲能量为50 nJ，压缩后40 fs 的超短脉冲。相比于用单模光纤构建的锁模光纤激光器，输出脉冲峰值功率提高了约一个量级。这种优异的性能输出归因于Mamyshev 再生器起到了类阶梯型饱和吸收体的作用，极大地调制深度有利于Mamyshev 振荡器产生高能量脉冲。

FRANK W 课题组的工作展示了Mamyshev 振荡器在产生高能量超短脉冲方面的巨大优势，掀起了对Mamyshev 振荡器的研究热潮。各个课题组也在不断地探索和提升Mamyshev 振荡器的输出性能，脉冲输出峰值功率也逐渐增加，从1 MW 到1.15 MW、3 MW、5.6 MW，直到目前世界纪录最高的13 MW［144-147］。2019年，天津大学胡明列课题组利用保偏大模场光子晶体光纤作为增益介质，实现了平均输出功率9 W，脉冲能量超过1 μJ，压缩后脉宽41 fs，峰值功率高达13 MW 高能量超短脉冲输出。2020年，吉林大学马春阳等通过在腔内插入高非线性光子晶体光纤以及色散延迟线，成功得到了超宽光谱范围的少周期脉冲，实验装置如图49。-20 dB 的光谱宽度达到了400 nm，最窄脉宽为17 fs。数值模拟揭示，经过合适地调节增益系数，可以得到倍频程光谱输出（-20 dB 带宽632 nm），可支持最窄一个光学周期（5 fs）的脉冲产生［148］。

尽管类阶梯型饱和吸收体可以抑制噪声和连续光，使得Mamyshev 振荡器仅支持锁模运转，但过高的调制深度使得振荡器很难自启动锁模。一般常用方法是通过腔外注入种子光辅助进行锁模，对于种子脉冲的功率和脉宽没有要求，但要保证带宽足够才能使振荡器进入锁模运行状态［139］。2018年，FRANK W 课题组为了解决Mamyshev 振荡器的自启动问题，通过在腔外引入一个启动臂来产生种子光实现振荡器的自启动锁模。利用一个电控可调旋转镜来产生噪声抖动，以及一段非保偏光纤和保偏器件构成一个等效可饱和吸收体对噪声进行放大来产生种子脉冲启动锁模，最终获得了单脉冲能量为190 nJ，脉宽为35 fs，峰值功率为3 MW 的输出［145］。除了这种方式，通过在振荡器一臂内引入不同空间器件利用非线性偏振旋转锁模来产生种子光，同样也可以实现振荡器的自启动锁模［149］。2022年，FRANK W 课题组提出了一种更为简洁的自启动全保偏光纤Mamyshev 振荡器，实验装置如图50。通控制光谱滤波器参数（中心波长及带宽）实现泵浦调制来产生种子光，可实现单脉冲能量为80 nJ，脉宽为45 fs，峰值功率为1.5 MW 的输出，比之前全光纤自启动Mamyshev 振荡器峰值功率高出20 倍［150］。

除了在1 μm 波段对Mamyshev 振荡器进行研究外，研究人员也将其研究推广到了其他波段。2019年，FRANK W 课题组在1.5 μm 波段实现了自启动的锁模Mamyshev 振荡器，实验装置如图51。该工作采用全保偏掺铒光纤作为增益，在最大泵浦功率下下实现了脉宽为93 fs，单脉冲能量为31.3 nJ 的输出［151］。2020年，日本丰田技术研究所LUO X 研究小组构建了一个全光纤线形Mamyshev 振荡器，实现了脉冲能量为18 nJ，脉宽为230 fs 的1 550 nm 高能超短脉冲输出［152］。同年，加拿大BOULANGER V 课题组利用保偏掺铒光纤，进一步将全光纤线形Mamyshev 振荡器输出脉冲能量提高到了21.3 nJ，压缩后脉宽最窄为108 fs［153］。2022年，南京航空航天大学课题组通过控制腔内色散，得到了脉宽为72 fs，单脉冲能量为6.2 nJ，峰值功率为86 kW 的超短脉冲输出［154］。近几年，基于掺铥光纤Mamyshev 振荡器的研究也有一定进展。2019年，清华大学杨昌喜课题组对2 μm 波段Mamyshev 振荡器进行了数值模拟，研究了耗散法拉第不稳定性的物理机制［155］。2020年，德国PAUL R 课题组在实验上实现了锁模掺铥Mamyshev 振荡器，实验装置如图52。该工作利用正色散光纤调节腔内色散，实现了重复频率为15 MHz，单脉冲能量为3.55 nJ，脉宽为208 fs 的超短脉冲输出［156］。

Mamyshev 振荡器由于其结构简单、输出稳定性高、环境鲁棒性等特点，可作为传统钛宝石激光器的替代者，在产生超短高能脉冲方面吸引了越来越多科研工作者的关注。Mmayshev 振荡器未来发展可进一步优化结构，产生相干、倍频的高能脉冲用于产生相位稳定的频率梳；进一步拓展Mmayshev 振荡器的运行波段，提高输出脉冲能量和峰值功率；作为一个理想的研究平台，力争发现更多非线性现象。

6 时空锁模

相比于单模光纤，多模光纤中存在复杂的非线性效应，导致其在超快光纤激光器研究中应用有限，这对于研究人员而言是一个极大的挑战。激光的模式一般可分为横模和纵模，锁模激光器主要原理是基于单一横模场的多纵模相位锁定，而对于同一激光器中的横模和纵模的相干叠加方面很少有研究。如果这些横模和纵模各自通过某种机制产生固定相位关系，则该种锁模可称为时空锁模。时空锁模近几年已成为超快光纤激光器的热门研究方向。

2017年，康奈尔大学WRIGHT L G 等提出利用多模光纤来构建激光器，可以实现多个横模和纵模的同时锁定来产生超短脉冲，即时空锁模［157］。在该工作中，WRIGHT L G 首先构建了理论模型，证明实现时空锁模主要利用了少模光纤（10 μm 芯径，支持3 种横模）以及折射率渐变多模光纤（支持100 种横模）。少模光纤主要提供空间滤波并消除增益的相互作用，折射率渐变多模光纤使得腔内的模式色散降低，使其总量和色度色散在一个量级，这是实现时空锁模的关键。同时，这两种光纤通过错位熔接来激发不同的高阶横模。通过数值模拟指导，他们搭建了两种典型的时空锁模光纤激光器。第一种实验装置如图53，是由空间器件和光纤构成的环形腔，其中利用非线性偏振旋转机制作为饱和吸收体。折射率渐变多模光纤和少模增益光纤错位熔接，利用空间滤波和频谱滤波来建立满足时空边界条件的三维稳态锁模脉冲。图54 为模拟和实验观测到的时空锁模结果。第二种实验装置与第一种类似，仅仅是为了验证在存在横向增益相互作用时是否也能建立时空锁模，因此采用了多模折射率渐变光纤作为增益，如图55。实验结果证明，在这种情况下依然可以实现稳定的时空锁模。

由于在腔内采用了周期性空间和频谱滤波，同时考虑到多模光纤腔内的色散，WRIGHT L G 认为多模光纤中三维稳态脉冲形成类似于单模光纤中的一维耗散孤子和自相似孤子。在单模光纤激光器中，正色散和非线性相位调制会导致产生脉宽和带宽在腔内增加的啁啾脉冲，光谱滤波会抑制脉宽和带宽的增加使得啁啾脉冲满足激光器周期边界条件达到稳态。类似地，在多模光纤激光器中，空间和光谱滤波有利于建立满足时空周期边界条件的三维稳态脉冲。由于在多模光纤中，横模模式色散与色度色散量级接近，不同模式之间都是强耦合，这就保证了多种模式都可以实现锁定。

WRIGHT L G 等的工作拓展了研究锁模光纤激光器的思路，提出了一个新的研究方向。随后，一系列关于时空锁模光纤激光器的工作被相继报道，包括孤子分子时空锁模［158］、自相似孤子时空锁模［159］、多脉冲时空锁模［160］、波长可调谐时空锁模［161］、色散管理孤子锁模等等［162］。不仅如此，在全光纤结构的激光器中也实现了稳定的时空锁模。2020年，瑞士TEGIN U 课题组在实验上证明了1 μm 全光纤多模时空锁模，实验装置和结果如图56。在该工作中谐振腔内包括50 μm 芯径的折射率渐变多模光纤，10 μm 芯径的折射率阶跃多模光纤以及10 μm 芯径的掺镱光纤。最终得到了中心波长为1 036 nm，脉宽为6.24 ps，脉冲能量为0.5 nJ的时空锁模脉冲输出，相比于全正色散单模锁模激光器脉冲能量提高了4 倍［163］。2021年，华南师范大学罗爱平课题组报道了实现全少模光纤时空锁模激光器。与多模光纤相比，少模光纤由于支持的横模数量更少更容易实现时空锁模，实验结果对于理解时空锁模的非线性特性有一定的参考意义［164］。2022年，长春理工大学金亮等实现了高功率全光纤时空锁模。在该工作中通过精确控制优化少模光纤中由多模干涉滤波造成的自成像效应，提高了折射率渐变多模光纤和少模光纤的耦合效率进而提高激光器的输出功率。实验得到了215 mW 的平均输出功率以及6 nJ 的脉冲能量［165］。

除了1 μm 波段，其他波段也有时空锁模相关研究。2021年，华南师范大学罗爱平课题组报道了1.55 μm可调谐时空锁模激光器。利用多模干涉滤波效应，仅通过调节PC 即可实现中心波长从1 557 ～1 567 nm 的连续可调。这项工作将时空锁模激光器的运行波长拓展到了1.5 μm［166］。2022年，中国计量大学王兆坤课题组报道了1.5 μm 部分多模光纤时空锁模激光器。增益介质为单模掺铒光纤，采用单模光纤-多模光纤-单模光纤结构作为可饱和吸收体同时提供空间滤波。最终得到了脉宽为687 fs，重频为24.75 MHz 的多模传统孤子输出［167］。值得一提的是，2022年，厦门大学罗正钱课题组在可见光波段实现了中心波长635 nm 的时空锁模，最终得到了脉宽为9 ps，脉冲能量为4 nJ 的优良输出性能［168］。

考虑到之前的时空锁模激光器大多都是使用折射率渐变多模光纤使腔内有较低的模式色散，由于较小的色散易于平衡，这是在这类激光器中实现时空锁模的关键。如果多模光纤拥有较大的模式色散，是否可以实现时空锁模？2021年，清华大学杨昌喜课题组对该问题进行了研究［169］。通过数值模拟，构建了空间器件加光纤的环形腔，采用了拥有较大模式色散的折射率阶跃多模光纤作为增益，与一段无源折射率渐变多模光纤错位熔接。非线性偏振旋转机制作为可饱和吸收体。实验装置与模拟结果如图57。该工作通过设置适当的参数，实验上可以观测到稳定的时空锁模，证实了在拥有大模式色散的腔型结构中也可以实现三维稳态脉冲产生。这种时空锁模的建立归因于腔内饱和吸收体在补偿大的模式色散方面起了关键作用，它平衡了众多横模之间的走离效应，辅助建立时空锁模。由于较长的折射率阶跃多模光纤会在横模间引入较大的走离，很难去补偿。通过大量对比实验证明，由较短的折射率阶跃多模光纤和一段相对较长的折射率渐变多模光纤构成的谐振腔，更容易实现时空锁模。这项工作进一步拓宽了对复杂时空锁模动力学的理解。2022年，北京交通大学彭继迎课题组构建了基于折射率阶跃多模光纤的全光纤振荡器，同样也实现了大模式色散的时空锁模。最终得到了脉冲能量为8 nJ，脉宽为20.1 ps的锁模脉冲输出［170］。

基于多模光纤的时空锁模激光器的研究目前处于起步阶段，许多问题都亟待解决，不可否认的是，这项技术拥有巨大的潜力和优势，和Mamyshev 振荡器研究类似，都开辟了高能量超快光纤激光器的新方向，是未来超短脉冲光纤激光器领域的最前沿。

7 总结与展望

本文分析了近年基于不同可饱和吸收体的被动锁模技术，梳理了相关的研究进展和发展现状，包括非线性光环形镜、非线性偏转旋转、低维纳米材料饱和吸收体、非线性多模干涉、以及最近出现的Mamyshev 振荡器和时空锁模等。非线性光纤环形镜响应时间短、损伤阈值高、稳定性好，但激光器存在难以自启动问题；非线性偏振旋转易于调谐、调制深度大，但环境抗干扰能力差，最近出现的基于保偏光纤的非线性偏振旋转可以提高激光器的稳定性；基于低维纳米材料的超短脉冲激光器结构简单、紧凑，但受限于材料本身的性质以及较低的损伤阈值，难以获得长期稳定的高能量脉冲；非线性多模干涉易于构成全光纤结构，光纤兼容性好，但增加了损耗，参数可调性差；Mamyshev 振荡器在产生高峰值功率方面有巨大的潜力，但过高的调制深度使激光器无法自启动，需要外部种子光辅助，目前已有相应的解决方法，但整体研究仍处于起步阶段；时空锁模能同时锁定横模与纵模，开辟了高能量超快光纤激光器的新方向，但目前的研究仍不够充分，有许多的问题亟待解决，且输出性能还无法与其他锁模技术比较。上述被动锁模技术拥有各自不同的优缺点，不同技术的共同发展提高了超短脉冲激光器的应用价值，拓宽了超短脉冲光纤激光器的应用领域，极大推动了超快光纤光源实用化发展。

目前阿秒技术正蓬勃发展，利用阿秒激光可以直接测量和控制电子行为，在材料、成像、医学、信息、制造等领域具有广泛的应用。其产生方式主要是使用少周期高能脉冲轰击惰性气体产生高次谐波。超短脉冲光纤激光器特别是Mamyshev 振荡器可以输出高能量少周期脉冲，会成为阿秒激光产生的理想驱动光源。

过去的十年，基于低维材料特别是二维纳米材料的超短脉冲激光器得到了飞速发展，得到了许多重要的成果，成为了非线性光子学的研究热点，这得益于成熟的材料制备、表征，以及对材料非线性响应特性的深入研究。在未来，基于材料锁模光纤激光器在以下几个方面可以进一步发展。首先，拓宽激光器输出脉冲的波长范围，紫外以及2～4 μm 仍旧有许多潜在的空间；其次，探索揭示更多的非线性现象包括多孤子分子、怪波等；最后，合成更多新颖的二维纳米材料并探索其非线性响应特性。

随着生物成像技术的发展，以非线性光学效应为基本原理的多光子显微镜技术，已被广泛应用于以老年痴呆、细胞中钙信号调控、肿瘤细胞迁移等多种疾病为例的各个生物研究领域。高性能的超短脉冲光源是多光子显微镜技术在生物组织深层成像的关键之一，最近几年1.7 μm 超短脉冲光纤激光器的出现为多光子显微镜技术的发展提供了坚实的基础。

随着对被动锁模机制理解的不断深入，再加上目前高速发展的激光器件制造水平，超快激光研究者能实现各种不同类型的锁模光纤激光器，进一步推动超快光源的研究走向成熟。随着输出性能的逐步提升，超短脉冲光纤激光器的适用场景也越来越丰富，可以预见未来将会成为以钛宝石激光器为代表的传统固体超短脉冲激光器的有力竞争者，并发挥更加重要的作用。