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       基于非線性微腔的芯片化超快脈沖激光器——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于芯片大小、自啟動、窄線寬、低噪聲的超快脈沖激光器。

　　超快脈沖激光器產生50年來，在各個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)，目前人們可以得到的最短激光脈沖寬度在幾個飛秒量級，脈沖重復頻率范圍大約在10～100MHz。最近，光頻梳技術在度量學、電信、微芯片計算等眾多領域等應用對超快脈沖激光器的重復頻率提出了更高的要求。使用重復頻率大于10GHz的超快脈沖激光作為工具，可以在這些應用領域中得到更好的測量結果。

　　獲得高脈沖重復頻率的傳統途徑為縮短激光器的腔長。重復頻率為10GHz的鎖模激光器對應的腔長僅為十幾毫米，這樣短的腔長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”設計，由Yoshida等人在1997年實現。“四波混頻激光器”中包含了兩個腔體結構，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，可產生連續激光。連續激光進入非線性腔后，在其中多次往返，產生四波混頻。四波混頻產生的各頻率成分具有固定的相位關系，經過相干疊加后，最終輸出超快脈沖激光。和傳統鎖模激光器相比，四波混頻激光器的脈沖重復頻率和總腔長無關，由非線性腔決定，主腔內同時存在多個脈沖。非線性腔后有一個濾波器，來濾掉由于非線性效應產生的不必要的波長成分。通常情況下，為了維持多脈沖的穩定增益及相關的自相位調制等，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，各個模式的相位并非完全一致，從而導致傳統的“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“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于傳統的四波混頻激光器主要有以下優勢：1) 其效率更高。傳統的四波混頻激光器的非線性腔和濾波器是分開的兩個器件，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，用來濾掉由于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一體，由于濾波作用的存在，四波混頻過程中不存在不必要光譜展寬引入的能量損耗，使得整個激光系統更為高效。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(最理想的情況為非線性腔中僅存在一個主腔縱模模式)，從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生窄線寬的超快激光脈沖，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路當中，除此之外，主腔光路中還包括了一段延遲控制線(用來控制主腔和非線性腔之間相位差)，中心波長控制器，法拉第隔離器和偏振控制器。為了對實驗結果進行對比分析，研究人員采用了兩個不同的主腔設計。其中一個主腔基于3 m長的摻鉺光纖放大器，對應主腔的自由光譜范圍為68.5MHz；另一個主腔基于33 m長的鉺鐿混摻光纖放大器，對應自由光譜范圍為6MHz。最終，這兩種主腔設計均實現了超快激光脈沖輸出。研究人員利用自相關儀對兩套激光系統的脈寬進行了分別測量。對比后發現，基于33 m長的主腔設計的激光器在輸出激光脈寬上占有優勢，在最高輸入功率為68mW時，脈寬為730fs。但是其脈寬自相關信號信噪比低。基于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15.4mW時，脈寬為2.3ps，但是其脈寬自相關信號信噪比高，工作穩定性也更好。這兩套激光系統的脈沖重復頻率均為200.8GHz。

　　值得一提的是，在外部溫度為21℃時，兩套激光系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，其線寬小于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，結果均小于10 kHz。在沒有插入任何穩頻器件，重復頻率為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沖重復頻率高、穩定性好、窄線寬、噪聲低等優點，其尺度僅相當于一個芯片大小，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。