光纤激光器具有光斑质量好、制造成本低、维护简单等优点，被广泛应用于光纤通信、光学计量、医学等领域^[1-3]。与传统固体激光器相比，光纤激光器体积更小，运行稳定性更高，更能适应复杂工作环境需求。在976 nm波段下，相较于其他掺杂稀土离子的光纤，掺镱光纤展现出显著优势：泵浦功率需求较低、泵浦效率高、重吸收损耗较小，且所需增益光纤长度较短。基于这些特性，掺镱光纤激光器可实现短腔长、高重复频率的激光输出，在光纤放大系统中具有重要应用价值^[4-6]。非线性偏振旋转（nonlinear polarization rotation，NPR）锁模技术^[7-9]利用了光纤的双折射效应。在自相位调制和交叉相位调制的共同作用下，椭圆偏振光正交分量会经历不同的非线性相移，导致其最终偏振态在光纤中持续发生旋转。快饱和吸收机制通过可饱和吸收体对脉冲的瞬时调制，可同时实现模式锁定和脉冲窄化。因此，采用NPR锁模技术的光纤激光器可以产生高重复频率和宽光谱输出。快饱和吸收体因具备超快响应特性及高损伤阈值，已被应用于光学相干层析成像、超快光纤传感等领域^[10-11]。

1992年，Tamura等^[12]将NPR技术应用于加成脉冲锁模，获得了脉冲持续时间为4.521 ps的单脉冲。该掺铒光纤环形激光器具有良好的自启动性能。2008年，Zhang等^[13]搭建了掺铒光纤激光器，利用NPR诱导的光强相关透射率和损耗，实现了无源锁模和多波长发射。2011年，Zhang等^[14]将NPR技术和高非线性光纤结合，利用四波混频（four-wave mixing，FWM）效应，在室温环境下实现了多波长激光的稳定输出。2010年，Wang等 ^[15]通过超短脉冲激光在空气中诱导等离子体光丝，在距聚焦望远镜15 m处测得250 nJ太赫兹辐射，并采用背向氮气荧光实现了远场辐射定标。2015年，Li等^[16]设计了环形腔掺镱光纤激光器。当基本重复频率为1 GHz时，它可输出0.6 nJ、64 fs的近变换极限脉冲。2019年，Tokurakawa等^[17]搭建了全正色散非线性偏振旋转锁模掺铥光纤激光器。其输出功率为63 mW，光谱呈猫耳形特征（中心波长1880 nm，带宽80 nm），70.6 MHz基频对应0.9 nJ脉冲能量，脉冲持续时间860 fs，经反射光栅压缩后可达107 fs。2024年，Liu等^[18]采用高重频飞秒激光大气成丝技术，通过加载外部高压直流电场，将等离子体寿命延长至微秒量级，从根本上抑制了光丝热致抖动。但传统光纤激光器的脉冲能量有限，难以实现高平均功率输出。

20世纪90年代，类噪声脉冲（noise-like pulses，NLPs）的研究已有文献记录^[19]。1997年，Horowitz等^[20]首次系统解析了NLPs的特性，揭示了其形成机制源于激光腔内双折射效应、非线性传输元件与光纤放大器增益响应的协同作用。2014年，Li等^[21]利用45°倾斜光纤光栅实现了基于NPR技术的全光纤被动锁模掺铥光纤激光器。该激光器可以在光谱带宽为18.1 nm的类噪声状态下工作，脉冲能量高达250.1 nJ。2020年，Cheng等^[22]同样利用45°倾斜光纤光栅，在净正色散掺铒光纤激光器中，通过增加泵浦功率，实现了耗散孤子和类噪声脉冲之间的多重切换。光纤激光器可输出锁模稳定的超短脉冲，通过调节腔内NPR参数也能生成NLPs。相较于传统单向结构，双向输出激光器具有高集成、低成本的优势。其双向同腔结构可有效抑制共模噪声。随着NLPs研究的深入，泵浦功率的不断提升以及非线性放大级联技术的优化，NLPs单脉冲能量和光谱带宽也在持续升级，进一步推动了其在精密生物医学成像与宽谱光源制备等领域的应用。

基于NPR锁模技术，搭建了一套可产生两个波长的全正色散双向输出掺镱光纤激光器。双向光谱输出中心波长分别为1 040.0 nm和1 026.4 nm；光谱带宽分别为25 nm和15 nm；顺时针（clockwise，CW）方向输出单脉冲能量为5 nJ，逆时针（counterclockwise，CCW）方向输出单脉冲能量为1.7 nJ；基本重复频率为46.04 MHz，两个方向略有差异。与已报道的NPR锁模光纤激光器相比，本研究搭建的激光器采用半光纤半自由空间结构实现双向输出，其腔结构灵活可调。可根据实际需求调整腔结构或缩短光纤长度以减小腔长，该激光器有望实现高重频。一方面，本文激光器可以同时输出222.6 mW和78.0 mW的平均功率，具有宽广谱、窄脉宽、高平均功率、高峰值功率的特点；另一方面，该双向输出激光器产生的类噪声脉冲具有高稳定性，可直接输出高质量光束，适用于低光谱相干干涉与超连续谱生成。该激光器突破了传统双向输出光纤激光器的能量限制，拓展了双向输出光纤激光器的应用场景。

所采用的自由运行双向输出光纤激光器光路结构如图1所示。基于非线性偏振旋转锁模原理，激光器采用半光纤、半空间环形腔结构设计，可根据实际需求灵活改变腔长，添加光学元件。4个波长为976 nm的激光二极管（laser diolde，LD）为整个激光器提供双向泵浦。每个LD提供最大输出为700 mW的泵浦光。这些光通过光耦合器（beam combiner，BC）两两合束之后，再经过波分复用准直器（col-WDM）被反射到掺镱光纤中，从而实现粒子数反转。在光耦合器之后还应加入光隔离器（optical isolator，ISO）或者泵浦保护器（pump protector，PP），防止回返光损坏泵浦源。掺镱光纤左右两侧非对称分布0.3 m和1 m的HI 1 060的尾纤。其余则为3 m的标准单模光纤（single mode fiber，SMF），以提供足够大的非线性相移。此外，为了增加腔体的不对称性，增益光纤可以尽量地靠近一端的col-WDM。空间部分采用两个半波片（half wave plate, HWP）、两个四分之一波片（quarter wave plate, QWP）和偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）组合的方式进行腔内偏振的控制和空间光路的耦合。水平线偏光通过PBS直接输出，垂直线偏光被反射回腔内形成环路。正是由于腔体的不对称性，激光在环形腔内可以双向运行，从而累积不同的非线性相移，实现双波长激光输出。

图 1

Figure 1

LD. 激光二极管；beam combiner. 合束器；Yb. 掺镱光纤；col-WDM. 波分复用准直器；λ/4. 四分之一波片；λ/2. 半波片；PBS. 偏振分束器。 图 1 全正色散双向输出掺镱光纤激光器结构示意图 Figure 1 Schematic diagram of an all-normal dispersion bidirectional output Yb-doped fiber laser

实验所采用的掺镱光纤长度为20 cm，可提供23 fs²/mm的群速度色散，在976 nm波长的吸收系数为1 200 dB/m。所采用非保偏单模光纤长度为4.2 m，在1 030 nm波长提供830 fs²/m的正色散。由于腔内掺杂光纤及其他无源器件在1 030 nm波长均提供正色散，且未引入色散管理装置，因此实验中激光器在正色散区域工作。锁模稳定时，两个方向均输出类噪声脉冲。

实验中，使用光功率计（thorlabs，PM 100，S121C）探明两个方向输出功率与泵浦功率的关系，如图2所示。当泵浦功率达到100 mW时，可以观察到激光输出，此时两侧输出波形杂乱。继续增加泵浦功率，输出功率同步增加。泵浦功率调整到800 mW时，达到锁模阈值。将波片旋转到恰当的角度，可以实现单向锁模。激光器CCW方向输出功率为百毫瓦量级，而CW方向输出功率只有百微瓦量级。此阶段，激光器输出46.04 MHz的单一重复频率。随着泵浦功率继续增加到1.6 W，CW方向输出功率急剧增加，而CCW方向输出功率会降低，此时锁模状态不稳定。通过旋转波片调节激光腔内的偏振，可恰好使得两个方向的输出实现稳定的锁模，且CW方向占主导输出。仔细旋转波片，调节腔内的偏振态，实验中双向输出掺镱光纤激光器可实现自启动锁模。当泵浦源增加到2.5 W时，激光器会处于增益饱和状态。应注意控制输入功率，避免损坏光学元器件。在图2中，光纤激光器两次锁模时出现了功率下降的情况，这是因为在快饱和吸收锁模机制中，时域脉冲的上升和下降沿是由吸收所导致的。在稳定双向锁模时，CW方向输出功率为222.6 mW，CCW方向输出功率为78 mW。激光器输出功率高则表明腔内运转功率低，而在低功率下CCW方向脉冲的稳定性会降低。输出功率较高意味着非线性相对较强，两个方向脉冲因交叉相位调制和自相位调制的共同作用，积累的非线性相移接近，相互束缚，高功率端持续输出高功率，低功率端在交叉相位的协助下实现锁模，最终形成双向波长锁模输出。

图 2

Figure 2

图 2 CW 与 CCW 方向的泵浦功率曲线 Figure 2 Variation of the output powers in CW and CCW directions with the pump power

将激光器接入光谱仪（thorlabs, OS201C）获得了两个方向的光谱，如图3（a）所示。CW方向输出线性光谱中心波长为1 040 nm，半高全宽为21 nm，CCW方向输出线性光谱中心波长为1 026.4 nm。与CW方向光谱不同，CCW方向光谱存在多个由腔内四波混频产生的对称波长尖峰。随着波片调整，腔内偏振态改变，不同峰之间的能量也随之转移。可以观察到，在1 070 nm附近也存在波长辐射，原因是较短的光纤有利于1 030 nm附近波长的辐射，而较长的光纤有利于1 070 nm附近波长的辐射，同时也与泵浦功率的强度有关^[23]。而关于CCW方向输出四波混频光谱的现象则有待将来进一步的研究讨论。

图 3

Figure 3

图 3 激光器输出特性 Figure 3 Output characteristics of the laser

用2 GHz的光电探测器探测两个方向的激光输出，并将其连接到300 MHz带宽，2 GSa/s采样率的数字示波器（RIGOL, MSO2302A）上，可以观察到输出的脉冲序列，如图3（b）所示。由于两个方向同步脉冲重复频率仅有微小差异，输出脉冲序列一致。为方便表示，此处只展示CW方向的时域脉冲序列。可以看出，脉冲分布均匀稳定且强度基本相同。相邻脉冲的时间间隔为22 ns，这与4.2 m腔长对应的基础重复频率46.04 MHz相匹配。

实验中使用自相关仪（APE，pulseCheck SM Type 2）分别测量两个方向输出脉冲的自相关曲线，结果如图4所示，CW和CCW两个方向均输出类噪声脉冲。在图4（a）中，CW方向的输出脉冲有62 ps的基底和201 fs的尖峰，插图为CW方向飞秒尖峰的放大图。图4（b）中，CCW方向的输出脉冲则有52 ps的基底和212 fs的尖峰，插图为CCW方向飞秒尖峰的放大图。这些皮秒时间尺度的宽基底和其上飞秒时间尺度的相干窄尖峰正是NLPs的典型特征。前者代表了整个类噪声脉冲波包的实际持续时间。尽管NLPs是随机产生和分布的，但它最后总是会形成准稳定的簇状脉冲波包。根据以往的报道，大多数基于光纤输出的NLPs都是在环形腔中产生的。根据非线性偏振旋转技术原理，Jeong等^[24-26]给出了激光在光纤中传输特征传递函数。

图 4

Figure 4

图 4 CW 与 CCW 方向自相关曲线 Figure 4 Autocorrelation curves in CW and CCW directions

式中：$ {T}_{\mathrm{N}\mathrm{P}\mathrm{R}} $为系统激光的传输；$ \theta $和$ \phi $分别为输入、输出偏振选择元件相对于光纤垂直双折射的方位角；$ \Delta {\varPhi }_{\mathrm{L}} $和$ \Delta {\varPhi }_{\mathrm{N}\mathrm{L}} $分别为线性和非线性相位延迟；$ \Delta {\varPhi }_{0} $为光纤中两个正交分量的初始相位延迟；$ \Delta \lambda $为波长失谐量；$ {\lambda }_{{\mathrm{s}}} $为中心波长；$ L $为光纤长度；$ {L}_{{\mathrm{b}}} $为光纤双折射拍长；$ \gamma $为光纤非线性系数；$ P $为激光瞬时功率。$ {T}_{\mathrm{N}\mathrm{P}\mathrm{R}} $表达式可用正弦函数表示，这表明可以通过设置系统增益、损耗和色散等各方面参数，使得整个系统处于正反馈（系统的透过率随瞬时功率$ P $的增加而增加）或者负反馈（系统的透过率随瞬时功率$ P $的增加而减少）状态。Tang等^[27]通过数值计算证明：在净负色散腔中，NLPs形成于孤子坍塌和正腔反馈；在净正色散腔中，在高泵浦功率、正色散和背景噪声的共同调制下，脉冲经过环形腔的多次往返产生类噪声脉冲^[28]。

尽管NPLs相干性不如传统的负色散孤子，但其超宽光谱的特性使其在光学异步采样、光学相干层析成像和基于低相干光谱干涉测量技术的传感检测等领域有着广泛的应用前景。未来，可通过改变增益光纤等方法，提高本实验激光器的相干性与光学测量的分辨率，将其应用于泵浦探针、光谱探测等领域。

在上述双向锁模状态下，将激光器两个方向输出的脉冲同时通过光电探测器接入带宽为7.5 GHz的频谱分析仪（Agilent，N9000A）来检测锁模脉冲的射频信号，结果如图5所示。频谱仪扫宽为4.5 kHz，分辨率带宽为10 Hz。CW方向输出的基础重复频率为46.037 4 MHz，输出信噪比约为51 dB。CCW方向输出的基础重复频率为46.036 8 MHz，输出信噪比约为45 dB。两个方向输出的射频信噪比均较高，表明在该双向锁模光纤激光器中放大自发辐射被抑制，受激辐射在环形腔内占据主导地位，此时输出脉冲质量较高。

图 5

Figure 5

图 5 输出脉冲频谱 Figure 5 Output frequency spectrum of this fiber laser

在探测过程中发现频谱仪上的射频信号会随机抖动，这是因为本实验激光器半空间结构存在机械噪声。可以考虑拆除这些机械结构，将光学器件集成到“光学立方体”的硅玻璃块上^[29]，再进行系统性的封装，以便最大程度地减少机械抖动、温度变化等因素导致的频率波动。

在双向锁模状态下，将两路输出光分别通过两个光功率计接入到上位机监测功率。两个方向输出功率随时间变化的情况如图6所示。在4 h测量时段中，CW和CCW方两个方向的功率漂移都小于1 mW，CW方向峰峰值为0.12 mW，CCW方向峰峰值为0.15 mW，这表明双向锁模输出的稳定性良好。锁模后的1 h，两个方向的输出功率都有所下降，随后保持稳定输出。利用标准差公式可以计算出CW和CCW两个方向输出功率的抖动均方差σ约为0.56%。

图 6

Figure 6

图 6 输出功率稳定性 Figure 6 Stability of the output power

基于非线性偏振旋转锁模原理，设计搭建的双向输出掺镱光纤激光器获得了：以1 026.4 nm和1 040 nm为中心的两个方向的输出光谱，光谱带宽分别为15 nm和25 nm；两侧输出单脉冲能量分别为5 nJ和1.7 nJ；平均输出功率分别为222.6 mW和78 mW；双向输出超短脉冲持续时间基底分别为62 ps和52 ps；尖峰分别为201 fs和212 ps；类噪声脉冲输出的基本重复频率分别为46.037 4 MHz和46.036 8 MHz。本实验激光器采用半光纤、半空间环形腔结构设计，重复频率调节灵活，为将来实现高重复频率单腔双波长光纤激光器提供了可能性。由于NPR锁模方式对机械噪声、温度变化等因素敏感，激光器的稳定性还需要进一步提升。未来可以去除机械结构，将光学器件集成在硅玻璃块上，再进行系统封装，利用压电陶瓷片稳定重复频率，最大程度降低噪声。还可以根据需要更换腔内光纤光学器件并优化腔结构，改变现有输出脉冲的状态，使激光器可应用在更多领域。