基于非線性微腔的芯片化超快脈沖激光器——利用“濾波器驅(qū)動(dòng)－四波混頻”腔型設(shè)計(jì)，研究人員得到了尺度相當(dāng)于芯片大小、自啟動(dòng)、窄線寬、低噪聲的超快脈沖激光器。

　　超快脈沖激光器產(chǎn)生50年來(lái)，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。這些領(lǐng)域包括信息交換、疾病監(jiān)控和治療、材料加工等。利用被動(dòng)鎖模技術(shù)(特別是克爾透鏡鎖模技術(shù))，目前人們可以得到的最短激光脈沖寬度在幾個(gè)飛秒量級(jí)，脈沖重復(fù)頻率范圍大約在10～100MHz。最近，光頻梳技術(shù)在度量學(xué)、電信、微芯片計(jì)算等眾多領(lǐng)域等應(yīng)用對(duì)超快脈沖激光器的重復(fù)頻率提出了更高的要求。使用重復(fù)頻率大于10GHz的超快脈沖激光作為工具，可以在這些應(yīng)用領(lǐng)域中得到更好的測(cè)量結(jié)果。

　　獲得高脈沖重復(fù)頻率的傳統(tǒng)途徑為縮短激光器的腔長(zhǎng)。重復(fù)頻率為10GHz的鎖模激光器對(duì)應(yīng)的腔長(zhǎng)僅為十幾毫米，這樣短的腔長(zhǎng)使得獲取超快脈沖激光較為困難；另一種途徑被稱為“四波混頻激光器”設(shè)計(jì)，由Yoshida等人在1997年實(shí)現(xiàn)。“四波混頻激光器”中包含了兩個(gè)腔體結(jié)構(gòu)，主腔和非線性腔，非線性腔插入在主腔當(dāng)中。通過(guò)對(duì)主腔進(jìn)行泵浦，可產(chǎn)生連續(xù)激光。連續(xù)激光進(jìn)入非線性腔后，在其中多次往返，產(chǎn)生四波混頻。四波混頻產(chǎn)生的各頻率成分具有固定的相位關(guān)系，經(jīng)過(guò)相干疊加后，最終輸出超快脈沖激光。和傳統(tǒng)鎖模激光器相比，四波混頻激光器的脈沖重復(fù)頻率和總腔長(zhǎng)無(wú)關(guān)，由非線性腔決定，主腔內(nèi)同時(shí)存在多個(gè)脈沖。非線性腔后有一個(gè)濾波器，來(lái)濾掉由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生的不必要的波長(zhǎng)成分。通常情況下，為了維持多脈沖的穩(wěn)定增益及相關(guān)的自相位調(diào)制等，主腔長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，這使得主腔縱模模式頻率間隔小，造成非線性腔中同時(shí)存在的模式數(shù)較多，各個(gè)模式的相位并非完全一致，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的“四波混頻激光器”工作穩(wěn)定性較差。

　　Peccianti等人利用芯片化高Q非線性微腔，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了濾波器和非線性腔的功能。這樣的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了“四波混頻激光器”的結(jié)構(gòu)。Peccianti所采用的結(jié)構(gòu)被稱為“濾波器驅(qū)動(dòng)－四波混頻激光器”。濾波器驅(qū)動(dòng)－四波混頻激光器相對(duì)于傳統(tǒng)的四波混頻激光器主要有以下優(yōu)勢(shì)：1) 其效率更高。傳統(tǒng)的四波混頻激光器的非線性腔和濾波器是分開(kāi)的兩個(gè)器件，非線性腔通常插入在主腔中激光能量最高的部分，濾波器位于非線性腔之后，用來(lái)濾掉由于非線性效應(yīng)帶來(lái)的對(duì)結(jié)果不利的光譜展寬成分。而在濾波器驅(qū)動(dòng)-四波混頻激光器中，非線性腔和濾波器合為一體，由于濾波作用的存在，四波混頻過(guò)程中不存在不必要光譜展寬引入的能量損耗，使得整個(gè)激光系統(tǒng)更為高效。2) 由于濾波器和非線性腔合為一體，使得濾波器驅(qū)動(dòng)－四波混頻激光器的主腔長(zhǎng)度明顯縮短，相應(yīng)地，主腔縱模模式頻率間隔變大，非線性腔中存在的模式數(shù)也大大減少(最理想的情況為非線性腔中僅存在一個(gè)主腔縱模模式)，從而大大提高了激光器工作的穩(wěn)定性。3) 濾波器驅(qū)動(dòng)－四波混頻激光器可以產(chǎn)生窄線寬的超快激光脈沖，此點(diǎn)可大大提升光頻梳應(yīng)用中的工作精度。

       濾波器驅(qū)動(dòng)-四波混頻激光器實(shí)驗(yàn)裝置如下圖6所示。圖6中a為高Q值微腔，Q值為1.2×106，其在激光器既是非線性腔，亦是濾波器。高Q值微腔被插入主腔環(huán)路當(dāng)中，除此之外，主腔光路中還包括了一段延遲控制線(用來(lái)控制主腔和非線性腔之間相位差)，中心波長(zhǎng)控制器，法拉第隔離器和偏振控制器。為了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究人員采用了兩個(gè)不同的主腔設(shè)計(jì)。其中一個(gè)主腔基于3 m長(zhǎng)的摻鉺光纖放大器，對(duì)應(yīng)主腔的自由光譜范圍為68.5MHz；另一個(gè)主腔基于33 m長(zhǎng)的鉺鐿混摻光纖放大器，對(duì)應(yīng)自由光譜范圍為6MHz。最終，這兩種主腔設(shè)計(jì)均實(shí)現(xiàn)了超快激光脈沖輸出。研究人員利用自相關(guān)儀對(duì)兩套激光系統(tǒng)的脈寬進(jìn)行了分別測(cè)量。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，基于33 m長(zhǎng)的主腔設(shè)計(jì)的激光器在輸出激光脈寬上占有優(yōu)勢(shì)，在最高輸入功率為68mW時(shí)，脈寬為730fs。但是其脈寬自相關(guān)信號(hào)信噪比低。基于3m長(zhǎng)的主腔設(shè)計(jì)的激光器輸出脈寬略寬，在最高輸入功率為15.4mW時(shí)，脈寬為2.3ps，但是其脈寬自相關(guān)信號(hào)信噪比高，工作穩(wěn)定性也更好。這兩套激光系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率均為200.8GHz。

　　值得一提的是，在外部溫度為21℃時(shí)，兩套激光系統(tǒng)均可以穩(wěn)定工作數(shù)小時(shí)以上。對(duì)激光輸出的線寬進(jìn)行測(cè)量，其線寬小于130 kHz。此外，研究人員還測(cè)量了相位噪聲在射頻譜中的表征值，結(jié)果均小于10 kHz。在沒(méi)有插入任何穩(wěn)頻器件，重復(fù)頻率為200 GHz量級(jí)的超快激光器中，這樣噪聲是非常低的。

　　綜上所述，濾波器驅(qū)動(dòng)-四波混頻激光器具備脈沖重復(fù)頻率高、穩(wěn)定性好、窄線寬、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，其尺度僅相當(dāng)于一個(gè)芯片大小，這樣集成化的超快激光器對(duì)各領(lǐng)域的應(yīng)用均有著極其重要的意義。