基于超构透镜的GHz光纤锁模激光器偏振调控与热管理集成系统研究

本研究针对GHz级光纤被动锁模激光器(MLL)存在的偏振旋转、可饱和吸收镜(SESAM)热损伤等关键问题，创新性地提出集成3D打印光纤准直器与偏振选择超构透镜(metalens)的系统方案。通过选择性聚焦TE偏振光同时发散TM偏振光，实现68倍有效光斑面积缩减和16.3 dB偏振对比度，显著提升SESAM饱和通量(FCAV)并抑制边带效应，为高重复频率(>1 GHz)紧凑型光纤激光器设计提供新思路。

　　

在高速光通信和超快光学领域，光纤被动锁模激光器(Mode-Locked Lasers, MLL)作为产生飞秒级脉冲的核心器件，其性能提升始终面临重大挑战。传统MLL虽能在100 MHz重复频率下稳定工作，但当频率提升至GHz范围时，偏振控制、可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror, SESAM)热损伤等问题便接踵而至。特别是偏振旋转导致的频谱边带效应，会严重劣化脉冲质量和系统稳定性，而SESAM与光纤直接接触引发的热斑问题更成为制约器件寿命的"阿喀琉斯之踵"。针对这些行业痛点，由David M.G. de la Sacristana领衔的国际团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表创新研究，通过融合超构透镜(metalens)与3D打印光纤准直器技术，开创性地提出系统解决方案。

研究团队采用计算全息与双光子聚合(Two-Photon Polymerization, TPP)等关键技术，首先通过ZEMAX光学设计软件优化出具有158 μm厚度、-50 μm曲率半径的非球面光纤准直器；继而利用严格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analysis, RCWA)设计出基于非晶硅(a-Si)的偏振选择超构透镜，该透镜在1567 nm波长下可实现TE/TM偏振16.3 dB的对比度。实验采用纳米级电子束光刻和干法刻蚀工艺制备出直径120 μm的超构透镜，并通过TPP技术直接在掺铒光纤(Erbium-Doped Fiber, EDF)端面打印出微米级准直器。

在"TPP准直器"部分，研究显示3D打印的IP-S树脂准直器可将光束发散角从21.5 mm缩减至0.9 mm，尽管存在衍射光晕现象，但相比裸光纤仍实现两个数量级的聚焦改进。通过自适应分辨率打印策略，在保证100 nm表面精度的同时提升制造效率。"偏振依赖超构透镜"章节揭示，通过优化矩形纳米柱尺寸(l_x/l_y=100-700 nm)，成功实现0-2π相位调控，TE偏振下的聚焦效率达93.1%，有效光斑面积缩减68倍至3.85×10^-11 m²，显著提升SESAM的饱和通量F_CAV = P_AVG/(f_REPA_EFF)。

"系统建模"部分通过ZEMAX仿真证实，该集成系统对横向偏移容忍度达±16 μm，角度偏差容忍±8.3°，完全覆盖商用对准器(F-131,PI)的调整范围。这种宽松的容差特性使GHz级MLL摆脱传统严格对准的束缚，为实用化铺平道路。研究还建立重复频率f_REP = c/(2n_EFFL_CAV)与腔长参数的定量关系，证明通过缩短腔长可实现更高重复频率。

这项研究的意义在于三方面突破：首先，首次将超构透镜的偏振选择特性与MLL的腔设计相结合，通过"聚焦-发散"双功能抑制偏振旋转边带；其次，创新的光纤集成准直器方案突破传统空间光学体积限制，使GHz-MLL向芯片级集成迈进；最后，建立的容差模型为高鲁棒性激光器设计提供理论框架。相比BATOP公司的传统SESAM方案，该技术将热损伤风险降低一个数量级，同时保持43:1的偏振抑制比。尽管当前系统尚未进行实际锁模测试，但仿真数据已充分验证其解决GHz-MLL核心痛点的潜力，为下一代紧凑型超快激光器开辟全新设计范式。