相对于其他固体激光器, 光纤激光器的优点之一是腔形结构简单, 体积紧凑。大量的研究表明:在光纤放大器具有正群速度色散(GVD)区域的增益光纤的增益带宽以内, 采用增益参数纵向恒定分布、纵向指数分布、光纤的受激拉曼效应、色散渐减光纤、光纤布拉格光纤光栅以及光纤光子晶体等, 都可以实现输入脉冲的自相似演化。

基于自相似光脉冲的优良特性, 借助于光纤放大器中产生自相似脉冲的方法, 2004 年, F. Ilday 等最早提出了自相似脉冲光纤激光器的设计原理, 他们根据色散管理孤子的传输原理, 用掺Yb 光纤放大器的原理设计了自相似光纤激光器的原理, 并且进行了初步的实验, 由于缺乏有效的脉冲滤波整形和明确的锁模方法, 所产生的并不是严格意义的自相似脉冲, 实际上是色散管理孤子的脉冲。随后, F . .Ilday 等对钛宝石激光器产生自相似脉冲激光的可能性进行了理论上的分析。

2005 年,C .Finot 等用全光器件设计的自相似脉冲激光器, 但是其结构、元件较为复杂。因此, 由光纤脉冲放大器过渡到自相似光纤激光器的一个难点是让带有啁啾的自相似脉冲必须具备周期性反馈条件, 使脉冲能够在谐振腔内周而复始地演化, 以满足锁模和选频条件, 所以, 原来的光纤放大器只能作为激光器谐振腔的能量增益部分, 还必须设置脉冲整形的啁啾补偿元件, 为此自相似脉冲激光器应当具有4 个主要部分构成:

1)一段具有正GVD 光纤放大器作为激光器的增益介质, 提供自相似脉冲演化的主体, 这一部分必须在自相似脉冲中心波长及其附近具有正的二阶色散, 而且其非线性效应以及高阶效应要足够小,具有足够的带宽;

2)一个特定中心波长和具有一定带宽的啁啾滤波器, 其为自相似脉冲进行整形(解啁啾);

3)一段饱和吸收体(SA)或者偏振控制器(PC)为激光器提供锁模, 或者使用其他锁模元件;

4)一段具有负GVD 的单模光纤(SMF)与耦合器连接, 其与正GVD 的增益光纤进行有效地耦合, 为激光器提供反馈, 同时提供稳定的激光输出通道。

此外, 还有抽运源、输入波分复用耦合器、输出波分复用(WDM)耦合器、单向隔离器和连接光纤以及和其他特种光纤(比如, 保偏光纤、色散补偿光纤等)。

自相似脉冲光纤激光器结构决定了激光器的锁模机制和锁模器件的类型。激光器的锁模类型主要有主动锁模(比如, 内置附加环形镜锁模、内置声光、电光调制器锁模、外逆向抽运交叉相位调制锁模等)、被动锁模(比如, 偏振旋转锁模、增益饱和吸收锁模、半导体饱和吸收锁模等)、主被动混合锁模和被动加成锁模。目前研究的自相似脉冲光纤激光器的锁模方法主要是采用被动锁模方式, 常用的是非线性偏振旋转演化(NPE)方法和半导体饱和吸收镜(SESAM)。

自相似光纤激光器标量孤子脉冲的数学表征

自相似光纤激光器是应用光纤放大器对光信号进行自相似脉冲增益放大的, 其光脉冲的抛物形自相似演化的数学表征问题, 最初在2000 年由V .I .Krug lov 等[ 14] , 首先假定增益光纤介质带宽大于脉冲啁啾带宽的理想情况下, 采用非线性薛定谔方程(NLS E), 描述了光纤放大器具有正色散区域的脉冲自相似演化的理论特性。此后, 国内外研究自相似脉冲演化特性的解析分析、数值计算以及对实验结果的析, 大部分沿用了V .I .Kruglo v 等的方法。