超快光纤激光器凭借其稳定性好、结构紧凑、造价低以及光束质量优异等特点受到青睐。在实际应用中，峰值功率是简单描述激光器性能的典型参数。随着锁模技术的发展，超快光纤激光器的峰值功率不断突破限制。但是，受限于光纤中的非线性效应，其峰值功率依然远远落后于固态激光器。2015年，Mamyshev振荡器的出现将光纤激光器的峰值功率提升了2个数量级（如图1，从几百kW至几十MW），使其应用领域更加广泛。
图1 光纤激光器峰值功率发展图 [1]
(相关资料图)
图2为Mamyshev环型腔光纤振荡器的示意图，腔内包含两个对称部分，每个部分由增益光纤、无源光纤、输出耦合器和带通滤波器构成。两个带通滤波器的中心波长偏离以防止连续光起振。只有当腔内非线性足够强时，脉冲才能通过两段光纤展宽光谱，从而通过两个带通滤波器。较强的非线性意味着允许较强的输出脉冲能量和较宽的输出光谱，因此输出脉冲峰值功率能显著提升[1]。
图2 Mamyshev振荡器结构示意图[1]
然而，Mamyshev振荡器的锁模机制使得自启动变得更加困难。目前启动Mamyshev振荡器的方式主要包括两种：外部输入脉冲和泵浦调制。外部输入脉冲需要额外脉冲光源提供种子，系统更加复杂。泵浦调制方式通过脉冲电信号控制泵浦光强度以获得腔内早期脉冲，进而演化为锁模状态，启动方式更易操作。结合Mamyshev振荡器和泵浦调制技术，且使用全光纤化器件，就能实现自启动的全光纤高性能激光器。
2022年，Cornell 大学的Frank Wise课题组搭建了如图3所示的全光纤Mamyshev振荡器，激光器设计仅包含Mamyshev振荡器的必要元素，并且将一路有源光纤改为无源光纤，从而增加腔内整体损耗，进而提高锁模阈值，提升输出脉冲能量。实验采用泵浦调制技术实现锁模自启动[1]。
图3 全光纤Mamyshev振荡器[1]
理论计算结果如图4所示，光谱在增益光纤中的演化表现类似于增益管理放大，光谱逐渐红移，在经过第一个带通滤波器之后光谱明显变窄，并且在紧接着的无源光纤中少量展宽光谱，经过第二个带通滤波器之后光谱继续窄化。由于此时脉冲能量低，在后续的无源光纤中光谱展宽较弱。
图4 模拟腔内光谱、带宽和脉冲能量演化[1]
实验结果如图5所示，FROG测量结果反演所得脉冲宽度为40fs。输出线性光谱和对数光谱如图5b所示，输出光谱表现为比较典型的增益管理放大光谱，右侧拉曼峰的出现限制了功率提升。此时压缩后脉冲能量80nJ，对应峰值功率1.5MW，是之前全光纤自启动激光器的20倍。
图5 实验结果[1]
2023年，Vincent Boulanger等人采用线型腔结构，结合一级增益管理放大，脉冲压缩后实现了能量>100nJ，脉宽<40fs的脉冲输出[2]。装置如图6所示，线型腔两端使用两个中心波长偏离的光纤布拉格光栅，同时作为腔镜和带通滤波器，实现Mamyshev振荡器锁模。之后紧接入一段增益光纤做增益管理放大，增大能量的同时增加光谱宽度，光栅对用于脉冲压缩。整个系统只用了一个泵浦源，并且采用泵浦调制实现锁模自启动，装置简单紧凑。
图6 Mamyshev振荡器结合增益管理放大装置[2]
实验结果如图7所示，反演所得脉冲宽度为36.7fs（图7a黑色曲线），与模拟结果吻合。自相关曲线（图7c）也拟合较好，半高宽为53.4fs。右侧为光谱强度和相位分布，红色曲线为计算结果，蓝色光谱为测量结果，黑色曲线为反演结果。最终输出脉冲能量为102nJ，对应峰值功率超过2MW。
图7 实验及计算结果[2]
Mamyshev振荡器将光纤激光器腔内所允许积累的非线性相移提升了几个数量级，因此输出脉冲性能显著提升。结合光纤器件的发展和泵浦调制技术，光纤激光器能够在保证激光器稳定运行、操作简单的同时实现高性能输出，未来将在更多的领域中发挥关键作用。
参考文献：
[1] Henry Haig, Pavel Sidorenko, Robert Thorne, and Frank Wise, "Megawatt pulses from an all-fiber and self-starting femtosecond oscillator," Opt. Lett. 47, 762-765 (2022)
[2] Vincent Boulanger, Michel Olivier, François Trépanier, Pascal Deladurantaye, and Michel Piché, "Multi-megawatt pulses at 50 MHz from a single-pump Mamyshev oscillator gain-managed amplifier laser," Opt. Lett. 48, 2700-2703 (2023)
原文标题:超快光纤激光技术之三十七 全光纤Mamyshev振荡器