光纤激光器中暗脉冲的研究进展

    在光纤激光器领域中，暗脉冲的研究正逐渐成为焦点。暗脉冲，作为一种特殊的光脉冲形式，在通信、传感等多个关键领域展现出巨大的应用潜力，其独特的优势和特性正推动着相关技术的不断革新。

    一、暗脉冲的重要性
    暗脉冲在连续波激光中以反复出现的脉冲形式存在。与传统的亮脉冲相比，暗脉冲对传输损耗具有更强的免疫力，这使得它在长距离通信中能够保持更稳定的信号传输质量。此外，亮脉冲的高脉冲峰值功率容易引发不必要的非线性效应，而暗脉冲由于其连续波背景中能量的缺乏，能够以最小的脉冲退化进行传播。这些特性使得暗脉冲在构建未来的高速、长距离通信系统以及高精度传感系统中具有不可替代的优势。

    二、暗脉冲的研究进展
    （一）非线性薛定谔方程暗脉冲
    非线性薛定谔方程是描述光纤中光脉冲传播的重要模型之一。1973年，理论上实现了正常色散介质光纤中暗脉冲的产生，随后在1987年通过非线性单模光纤实验成功观测到5ps暗脉冲。非线性薛定谔方程暗脉冲的产生依赖于精确的色散控制，需要在光纤激光腔中设置合适的色散条件。例如，在掺镱光纤激光器中，利用黑磷可饱和吸收体、氧化石墨烯可饱和吸收体等，可以在不同波长和腔长的光纤激光器中产生不同宽度和重复频率的暗脉冲。这种暗脉冲的产生机制和实验方法为光纤激光器在通信和传感领域的应用提供了新的可能性。
    （二）三次-五次非线性薛定谔方程暗脉冲
    三次-五次非线性薛定谔方程暗脉冲的产生基于非克尔非线性，这使得色散条件不再是关键因素。然而，它需要高阶非线性光纤线轴来诱导足够的非克尔非线性以主导克尔非线性。例如，在反常色散下工作的光纤激光腔中，利用高阶非线性光纤线轴可以产生三次-五次非线性薛定谔方程暗矩形类噪声脉冲。这种暗脉冲的产生机制为光纤激光器的设计提供了新的思路，尤其是在探索新型非线性效应方面具有重要意义。
    （三）畴壁暗脉冲
    畴壁暗脉冲的产生机制与非线性薛定谔方程和三次-五次非线性薛定谔方程暗脉冲有所不同。它是由于两个或多个不同波长的激光相互作用，在时域中形成拓扑缺陷而产生的。这种暗脉冲的产生不依赖于色散条件，其光谱通常呈双波长或多波长。通过非线性偏振旋转技术或在激光腔内加入可饱和吸收体等方法，可以实现畴壁暗脉冲的产生。例如，利用偏振相关隔离器在异常色散腔中实现双波长畴壁暗脉冲，为光纤激光器在多波长通信和多参数传感等领域的应用提供了新的途径。

    三、三类暗脉冲的比较
    非线性薛定谔方程暗脉冲的产生依赖于精确的色散控制，通常需要在光纤激光腔中加入色散补偿光纤或色散位移光纤，以保证激光腔在正常色散下工作。其脉冲重复频率相对较低，除非在1310nm及以下波长不需要色散补偿。三次-五次非线性薛定谔方程暗脉冲的产生则需要长高阶非线性光纤来诱导足够的非克尔非线性，这会降低激光效率和脉冲重复率。而畴壁暗脉冲的产生依赖于双波长干涉，其光纤激光器腔通常由干涉仪机制组成，总长度相对较短，可以产生更高的基本脉冲重复频率，其光谱通常是双重或多重激射。

    四、面临的挑战与未来方向
    尽管暗脉冲光纤激光器在通信和传感等领域展现出巨大的潜力，但其发展仍面临诸多挑战。非线性薛定谔方程暗脉冲的产生需要精确的色散控制，这增加了光纤激光器的设计和制造难度。三次-五次非线性薛定谔方程暗脉冲所需的长高阶非线性光纤会降低激光效率和脉冲重复率。而畴壁暗脉冲由于波长干涉的限制，在应用范围上也受到一定的制约。
    未来的研究方向可能集中在以下几个方面：一是基于光纤结构的优化，例如开发新型的光纤结构以实现更高效的色散控制和非线性效应增强；二是利用先进材料，如纳米材料、低维材料等，这些材料有望在短长度内产生高非线性或色散补偿介质，从而提高光纤激光器的性能和效率；三是探索新的暗脉冲产生机制和控制方法，以满足不断增长的通信和传感需求。
    光纤激光器中暗脉冲的研究正在不断深入，其在通信、传感等领域的应用前景广阔。随着研究的不断推进和技术的不断突破，暗脉冲光纤激光器有望在未来的光子学技术革命中发挥更加重要的作用。