基於(yu) 非線性微腔的芯片化超快脈衝(chong) 激光器——利用“濾波器驅動－四波混頻”腔型設計，研究人員得到了尺度相當於(yu) 芯片大小、自啟動、窄線寬、低噪聲的超快脈衝(chong) 激光器。

　　超快脈衝(chong) 激光器產(chan) 生50年來，在各個(ge) 領域發揮著極其重要的作用。這些領域包括信息交換、疾病監控和治療、材料加工等。利用被動鎖模技術(特別是克爾透鏡鎖模技術)，目前人們(men) 可以得到的最短激光脈衝(chong) 寬度在幾個(ge) 飛秒量級，脈衝(chong) 重複頻率範圍大約在10～100MHz。最近，光頻梳技術在度量學、電信、微芯片計算等眾(zhong) 多領域等應用對超快脈衝(chong) 激光器的重複頻率提出了更高的要求。使用重複頻率大於(yu) 10GHz的超快脈衝(chong) 激光作為(wei) 工具，可以在這些應用領域中得到更好的測量結果。

　　獲得高脈衝(chong) 重複頻率的傳(chuan) 統途徑為(wei) 縮短激光器的腔長。重複頻率為(wei) 10GHz的鎖模激光器對應的腔長僅(jin) 為(wei) 十幾毫米，這樣短的腔長使得獲取超快脈衝(chong) 激光較為(wei) 困難；另一種途徑被稱為(wei) “四波混頻激光器”設計，由Yoshida等人在1997年實現。“四波混頻激光器”中包含了兩(liang) 個(ge) 腔體(ti) 結構，主腔和非線性腔，非線性腔插入在主腔當中。通過對主腔進行泵浦，可產(chan) 生連續激光。連續激光進入非線性腔後，在其中多次往返，產(chan) 生四波混頻。四波混頻產(chan) 生的各頻率成分具有固定的相位關(guan) 係，經過相幹疊加後，最終輸出超快脈衝(chong) 激光。和傳(chuan) 統鎖模激光器相比，四波混頻激光器的脈衝(chong) 重複頻率和總腔長無關(guan) ，由非線性腔決(jue) 定，主腔內(nei) 同時存在多個(ge) 脈衝(chong) 。非線性腔後有一個(ge) 濾波器，來濾掉由於(yu) 非線性效應產(chan) 生的不必要的波長成分。通常情況下，為(wei) 了維持多脈衝(chong) 的穩定增益及相關(guan) 的自相位調製等，主腔長度一般較長，這使得主腔縱模模式頻率間隔小，造成非線性腔中同時存在的模式數較多，各個(ge) 模式的相位並非完全一致，從(cong) 而導致傳(chuan) 統的“四波混頻激光器”工作穩定性較差。

　　Peccianti等人利用芯片化高Q非線性微腔，同時實現了濾波器和非線性腔的功能。這樣的設計大大簡化了“四波混頻激光器”的結構。Peccianti所采用的結構被稱為(wei) “濾波器驅動－四波混頻激光器”。濾波器驅動－四波混頻激光器相對於(yu) 傳(chuan) 統的四波混頻激光器主要有以下優(you) 勢：1) 其效率更高。傳(chuan) 統的四波混頻激光器的非線性腔和濾波器是分開的兩(liang) 個(ge) 器件，非線性腔通常插入在主腔中激光能量最高的部分，濾波器位於(yu) 非線性腔之後，用來濾掉由於(yu) 非線性效應帶來的對結果不利的光譜展寬成分。而在濾波器驅動-四波混頻激光器中，非線性腔和濾波器合為(wei) 一體(ti) ，由於(yu) 濾波作用的存在，四波混頻過程中不存在不必要光譜展寬引入的能量損耗，使得整個(ge) 激光係統更為(wei) 高效。2) 由於(yu) 濾波器和非線性腔合為(wei) 一體(ti) ，使得濾波器驅動－四波混頻激光器的主腔長度明顯縮短，相應地，主腔縱模模式頻率間隔變大，非線性腔中存在的模式數也大大減少(最理想的情況為(wei) 非線性腔中僅(jin) 存在一個(ge) 主腔縱模模式)，從(cong) 而大大提高了激光器工作的穩定性。3) 濾波器驅動－四波混頻激光器可以產(chan) 生窄線寬的超快激光脈衝(chong) ，此點可大大提升光頻梳應用中的工作精度。

       濾波器驅動-四波混頻激光器實驗裝置如下圖6所示。圖6中a為(wei) 高Q值微腔，Q值為(wei) 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路當中，除此之外，主腔光路中還包括了一段延遲控製線(用來控製主腔和非線性腔之間相位差)，中心波長控製器，法拉第隔離器和偏振控製器。為(wei) 了對實驗結果進行對比分析，研究人員采用了兩(liang) 個(ge) 不同的主腔設計。其中一個(ge) 主腔基於(yu) 3 m長的摻鉺光纖放大器，對應主腔的自由光譜範圍為(wei) 68.5MHz；另一個(ge) 主腔基於(yu) 33 m長的鉺鐿混摻光纖放大器，對應自由光譜範圍為(wei) 6MHz。最終，這兩(liang) 種主腔設計均實現了超快激光脈衝(chong) 輸出。研究人員利用自相關(guan) 儀(yi) 對兩(liang) 套激光係統的脈寬進行了分別測量。對比後發現，基於(yu) 33 m長的主腔設計的激光器在輸出激光脈寬上占有優(you) 勢，在最高輸入功率為(wei) 68mW時，脈寬為(wei) 730fs。但是其脈寬自相關(guan) 信號信噪比低。基於(yu) 3m長的主腔設計的激光器輸出脈寬略寬，在最高輸入功率為(wei) 15.4mW時，脈寬為(wei) 2.3ps，但是其脈寬自相關(guan) 信號信噪比高，工作穩定性也更好。這兩(liang) 套激光係統的脈衝(chong) 重複頻率均為(wei) 200.8GHz。

　　值得一提的是，在外部溫度為(wei) 21℃時，兩(liang) 套激光係統均可以穩定工作數小時以上。對激光輸出的線寬進行測量，其線寬小於(yu) 130 kHz。此外，研究人員還測量了相位噪聲在射頻譜中的表征值，結果均小於(yu) 10 kHz。在沒有插入任何穩頻器件，重複頻率為(wei) 200 GHz量級的超快激光器中，這樣噪聲是非常低的。

　　綜上所述，濾波器驅動-四波混頻激光器具備脈衝(chong) 重複頻率高、穩定性好、窄線寬、噪聲低等優(you) 點，其尺度僅(jin) 相當於(yu) 一個(ge) 芯片大小，這樣集成化的超快激光器對各領域的應用均有著極其重要的意義(yi) 。