通过两种锁模机制的组合，能获得各自的优点，产生更高平均功率和时间纯度的超短脉冲^[26]。Haxsen F等人也发现结合SESAM和NPR两种技术混合锁模，能抑制连续波的竞争，从而能有效稳定脉冲输出和降低自锁模阈值^[20]。Li Xing等人用SESAM和空间结构NPR混合锁模产生了耗散孤子脉冲，所使用SESAM的调制深度低至6%，激光器可稳定工作48h以上^[27]。

最近十几年，大量的文献报道了各种各样的耗散孤子光纤激光器。被动锁模光纤激光器的锁模机制可分为两种：可饱和吸收体和人工可饱和吸收体。可饱和吸收体是一种透射率与光强相关的器件，可吸收低强度的光，透过高强度的光。目前，主流的可饱和吸收体有：石墨烯氧化物可饱和吸收体、碳纳米管可饱和吸收体（Carbon Nanotubes, CNT）、半导体可饱和吸收体（Semiconductor Saturable Absorber Mirror, SESAM）^[15-22]。人工可饱和吸收体是利用非可饱和吸收体器件实现锁模脉冲，与可饱和吸收体的机理大致相同, 如非线性偏振旋转（Nonlinear Polarization Rotation, NPR）、“8”字形谐振腔锁模技术等^[23-25]。这两种技术都有各自的优缺点：可饱和吸收体拥有很宽的可饱和吸收带、低吸收损耗、调制深度可控、锁模状态稳定，但受波长限制、受温度变化影响比较大、制作麻烦；人工可饱和吸收体不受波长影响、操作简便，本质上却极不稳定。

被动锁模光纤激光器因具有结构紧凑、稳定性较好、操作容易、可自启动等优点^[1-3]，被广泛应用于超连续谱^[4]、光频率梳^[5]、光采样系统^[6]等多个领域。谐振腔净群速度色散的正负产生不同机制的脉冲输出。在负色散区域，光纤产生的自相位调制等非线性效应与群色散效应达到平衡，产生传统的负色散孤子脉冲。由孤子面积理论可知，传统孤子单脉冲能量只能限制很低的水平（通常在0.1 nJ）^[7-8]。在正色散区域内，非线性效应、色散、损耗和增益相互作用，形成耗散孤子脉冲^[9-10]；相较于传统孤子脉冲，耗散孤子脉冲的能量能扩大到4个量级^[11]，脉冲压缩后能达到较高的峰值功率^[12]。被动锁模耗散孤子脉冲的这些优点使其在光学、普通物理、生物学和医学等多个领域具有广泛的应用^[13-14]。

已报道过的仅采用SESAM锁模技术，或采用混合锁模技术的耗散孤子光纤激光器，其输出光谱的带宽较窄，进行脉冲压缩，无法得到很窄的时域脉冲宽度（半高全宽）Δ_τ。为得到更窄脉宽的耗散孤子脉冲，又鉴于混合被动锁模技术的优点，我们用掺铒光纤作为增益介质，在采用SESAM和NPR混合锁模的基础上，引进了光纤色散管理的方法。最终实现了波长在1.55 μm、光谱宽度Δ_λ（3 dB带宽）为39.1 nm的耗散孤子。脉冲的重复频率约为34.3 MHz，平均功率为11.3 mW，能量在0.33 nJ左右。用单模光纤进行压缩后，脉宽Δ_τ为178 fs；泵浦功率大于360 mW，激光器能实现自启动锁模且稳定运行时长超过15 h。

1 实验装置及原理

图1为混合被动锁模耗散孤子激光器的结构示意图。一段0.4 m长的掺铒光纤（Erbium-doped Fiber, EDF, Likkie Er110-4/125）作为增益介质，群速度色散（Group Velocity Dispersion, GVD-β₂）为0.011 4 ps²/m，β₂＝0.017 ps²/m的色散补偿光纤（Dispersion Compensation Fiber, DCF）给谐振腔提供正色散，一个输出波长为976 nm的半导体激光器（最大输出功率970 mW）作为泵浦源。一个偏振控制器（Polarization Controller, PC）和偏振相关隔离器（Polarization Sensitive Isolator, PS-ISO）构成非线性偏振旋转模块，ISO确保光在谐振腔内的单向传播，PC则用来启动和微调激光器的锁模状态。其余的器件包括：光耦合器（Optical coupler, OC）90/10、环形器（Circulator, CIR）、反射式SESAM （BATOP, GmbH）。SESAM的调制深度ΔR＝10%，恢复时间τ＝1.5 ps，饱和通量Φ_sat＝40 μJ/cm²。实验中所使用器件的尾纤都是单模光纤SMF28（Single Mode Fiber, SMF, β₂＝0.022 ps²/m），为方便控制腔的净色散，我们特意采用了尾纤为Hi1060flex （Corning, β₂＝0.018 ps²/m）的波分复用器 （Wavelength Division Multiplexer, WDM）。

图 1. Configuration of the hybrid mode-locking fiber laser

Fig. 1. Configuration of the hybrid mode-locking fiber laser

下载图片 查看所有图片

2 实验结果与分析

把OC的“90%”输出端接入腔内，单模光纤SMF28和WDM尾纤长度都是0.8 m。把DCF长度作为唯一变量（由长变短）来控制谐振腔的净色散，从而得到光谱随色散的演变，如图2所示。起初，DCF的长度为10 m，谐振腔总长为12 m，相应的净群速度色散β_t＝0.181 ps²。输出光谱呈现方形，这是典型的正净色散下的耗散孤子光谱。随着DCF逐渐缩短，腔净色散也逐渐变小，Δ_λ逐渐增大。腔净色散小于0.045 ps²（即DCF长度小于3 m）时,无法实现耗散孤子锁模脉冲。从图中可看出，腔净色散等于0.045 ps²时，光谱宽度能到达最大（Δ_λ＝52.3 nm）。在该参数下，激光器无法实现自启动锁模，工作时长仅有数十分钟。相比之下，净色散为0.063 ps²时，Δ_λ虽小了一点，却能稳定地实现启动锁模，工作时长也达15 h。此参数下，为最理想的输出状态。

图 2. Output optical spectrum evolution as a function of the net cavity dispersion

Fig. 2. Output optical spectrum evolution as a function of the net cavity dispersion

下载图片 查看所有图片

图3是腔净色散为0.063 ps²时，输出单脉冲光谱和平均功率随泵浦功率增强的演变。图3（a）为不同泵浦功率下的输出光谱，结果和Zhao等人报道的增益导引耗散孤子基本吻合^[23]。各泵浦功率对应的输出单脉冲光谱左侧都具有边缘尖峰，说明光纤内存在很强的自相位调制（Self Phase Modulation, SPM）^[28]；光谱的中心波长也向短波方向移动，这是由于更高的泵浦光激发了更强的非线性效应^[29]。光谱宽度随功率的变化则记录在图3（b）中，Δ_λ由4.7 nm逐渐增加到730 mW时的39.1 nm，往后继续增加泵浦功率，Δ_λ逐渐减小（如图3（b）所示），这可能是随着泵浦光的逐渐加强，脉冲能量得到进一步提高，SPM效应逐渐增强，光谱右侧由下滑的曲线出现越来越高的尖峰，因此，Δ_λ才逐渐增大，又逐渐减小。图3（b）还列出了不同泵浦功率对应的输出功率值,激光器的泵浦光自启动锁模阈值为360 mW；根据不同泵浦功率下的输出功率，计算出激光器的斜效率η＝15.5%。

图 3. Evolution of laser performance at 0.063 ps² estimated net dispersion with the increase of pump power

Fig. 3. Evolution of laser performance at 0.063 ps² estimated net dispersion with the increase of pump power

下载图片 查看所有图片

泵浦功率P＝730 mW时，可得到光谱最宽（Δ_λ＝39.1 nm）的输出脉冲，脉冲重复频率为34.3 MHz，相应的脉冲能量在0.33 nJ左右。为得到真实的短脉冲输出，需要在腔外进行色散补偿，先在OC输出尾纤端熔接一段DCF，消除单模尾纤对脉冲的压缩，再测量脉冲的自相关仪曲线图（如图4（a）所示）。脉冲形状为典型的高斯形Δ_τ＝4.9 ps，经高斯拟合Δ_τ＝3.5 ps。由于谐振腔净色散在正常色散区内，脉冲可以在腔外引入负啁啾并用标准单模光纤进行压缩。为更好的压缩脉冲，用5 m的SMF28光纤熔接上3.1 m长的Hi1060单模光纤（Corning, β₂＝ −0.11 ps²/m）作为脉冲压缩器，把压缩器输出端接入自相关仪，测量压缩后的脉冲轨迹（如图4（b）所示）。对压缩后的脉冲进行高斯拟合，得到去啁啾后的脉宽Δ_τ＝178 fs。对应的时间带宽积为0.87，几乎是傅里叶变换极限（0.44）的两倍，表明输出脉冲包含了大量的非线性啁啾。同时，也可以观察到脉冲有两个边带峰和类似“梯形”的基座，这是由于高阶非线性啁啾难以压缩，这个“基座”占了脉冲接近35%的能量。图4（c）是频谱分析仪的分辨率带宽设置为30 Hz时，窄频范围的脉冲射频频谱图。从图中可知，脉冲的信噪比为82 dB。宽频范围（3 MHz～2.5 GHz）的射频频谱图描绘在图4（d）中，可清晰看出，脉冲没有受到调制，表明稳定运行在单脉冲输出状态下（有任何多脉冲或谐波锁模脉冲都可以明显从RF图中看出^[30]）。实验恒温下（18 ℃），稳定单脉冲输出的时长在15 h以上。

图 4. Performance of the laser at pump power of 730 mW

Fig. 4. Performance of the laser at pump power of 730 mW

下载图片 查看所有图片

3 结　论

从一种简单、全光纤结构的锁模掺铒激光器，通过SESAM和NPR混合锁模，产生了宽光谱的耗散孤子脉冲。由于使用了色散补偿光纤，不需色散调控器件，激光器也能工作在正常色散区的耗散孤子机制下。通过色散管理，激光器能产生中心波长1.55 μm、光谱宽度39.1 nm、重复频率34.3 MHz、平均功率11.3 mW的耗散孤子。单脉冲能量为0.33 nJ，信噪比为82 dB。通过测量不同泵浦功率所对应的输出功率，计算出激光器的斜效率约等于15.5%；经过单模光纤，可以把初始脉宽3.5 ps的脉冲压缩至178 fs，由于包含了高阶非线性啁啾，压缩后的脉冲存在着“底座”。在室温条件下，激光器能实现自启动锁模，运行在稳定单脉冲输出状态的时长在15 h以上。本文的研究为制备宽光谱、高频率稳定性的被动锁模光纤激光器提供了可行方案，由于紧凑、全光纤、输出稳定、易制作的特点，它具有很大的潜力。