光纤超短脉冲技术简介
超短脉冲激光器具有极短持续时间、高峰值功率等特点，可被应用于超快物理现象探测、强光与物质的非线性作用等基础研究领域，同时也可作为激光加工的理想光源，如半导体晶圆隐形切割、双光子3D打印等，因此，一直以来受到研究人员们的广泛关注。钛蓝宝石和Yb:YAG晶体是产生高能量超短脉冲激光的常见材料，结合固体放大技术（再生放大器、多通放大器等）固体激光器的单脉冲能量可达焦耳量级。但固体激光器结构设计复杂，出光参数易受腔镜振动和温漂影响，因此对于工作环境存在较高要求。此外，由于固体激光增益晶体的热沉积效应显著，往往需要外接水冷设备，进一步限制了激光器的应用范围。
随着光纤泵浦技术以及光纤封装器件的发展，光纤激光器得以减少或免于使用空间光学结构，因此光纤激光器通常结构较为紧凑且环境稳定性好。此外，光纤激光器在整体搭建成本、输出光束质量和指向稳定性方面相较于传统固体激光器也更具优势。目前，连续及纳秒光纤激光器已在工业激光切割领域得到大规模应用，而超短脉冲光纤激光器则是近年来研究热点。
超短脉冲光纤激光器由光纤振荡器和光纤放大器两部分组成。其中，种子脉冲在光纤振荡器中锁模产生。常见锁模技术有非线性偏振旋转（nonlinear polarization rotation，NPR）、非线形放大环形镜（nonlinear amplified loop mirror，NALM）、半导体可饱和吸收镜（semiconductor saturable absorber mirror，SESAM）等。光纤振荡器决定种子脉冲的初始参数（重复频率、光谱宽度、脉冲宽度等），并密切影响激光器的最终输出参数，因此稳定可靠的光纤振荡器是超短脉冲光纤激光器构建的必要前提。由于光纤振荡器中直接输出的种子脉冲平均功率通常仅为几毫瓦，远未能达到应用量级，需对脉冲进行功率放大。不同于固体放大器，光纤放大器采用掺稀土离子光纤作为增益介质，泵浦光与信号光同时在光纤内传输，具有较高的光-光转换效率，且无需额外的冷却措施。同时，由于信号光在光纤放大器中保持单模传输，从激光器中出射的空间光束能够达到衍射极限，即质量因子M2趋近于1。
在光纤放大器中实现高能量超短脉冲输出，需要考虑多种因素。低功率下信号光的放大效果由增益介质（掺杂光纤）本身的放大效率决定，通常可通过提高光纤中稀土离子掺杂浓度、采用双包层泵浦技术等手段改善。超短脉冲放大过程中因极高的峰值功率（MW量级）在光纤中传输时产生的过量非线性效应，如自相位调制（self-phase modulation，SPM）、受激拉曼散射（stimulated Raman scattering，SRS）等，会造成脉冲基底的产生和光谱能量的分散，从而降低脉冲质量，是另一个限制光纤放大器输出功率的重要因素。常见的对放大脉冲的非线性效应进行管控的光纤放大技术有自相似放大（self-similar amplification，SSA）、啁啾脉冲放大（chirped pulse amplifier，CPA）、相干合成（coherent beam combination，CBC）技术等。现阶段，高功率皮秒掺镱光纤激光器在工业领域已可替代Nd3+或Yb3+掺杂固体激光器在某些场景下的应用，如OLED柔性材料切割、高脆性碳化硅衬底切割等。而在诸如超连续谱的产生、生物多光子成像、光学泵浦探测、双光子激光直写等非线性光学领域，脉冲宽度更短、峰值功率更高的高能量飞秒光纤激光器则更具优势。通过脉冲宽度在百飞秒及以下的高能量激光泵浦，能够显著提高多光子显微成像系统的信号强度和改善光学泵浦探测系统的时间分辨率。
