高能量飞秒全光纤激光系统的研究和应用分析

与约800 nm和1300 nm的常规激发波长相比，第三近红外（NIR－III）光学窗口（1600－1850 nm）为生物成像应用提供了更长的衰减长度（图1）。最近，很多研究组已对NIR－III窗口中1700 nm附近的激光源进行了深入研究，以实现更深的穿透深度，用于高分辨率光学成像，例如三光子显微镜（3PM）和光学相干层析成像。3PM需要高能超快脉冲，以促进NIR－III区域中的三光子吸收；另外，需要波长可调以增加可利用的荧光团的数量。

图1 在第三近红外（NIR－III）光学窗口的三光子成像

迄今为止，3PM的光源多数基于光纤中的孤子自频移（SSFS）效应，但SSFS有转换效率低、泵浦功率需要高能量和必不可少的自由空间体光学元件等缺点（图2）。另一方面，还可以使用基于GeO2－SiO2玻璃的掺铋光纤（BDF）作为增益光纤来开发1700nm附近的光纤激光器，但是由于1700 nm处的增益较低（＜1dB ／ m），所以所需BDF的长度较长，较长的光纤又会积累过量的非线性相移，最终可获得的脉冲能量较低，远远不能满足3PM对于光源的要求。

图2 基于孤子自频移的光源

基于二氧化硅的掺铥光纤（TDF）在3F4－3H6跃迁中具有1600至2100 nm的宽发射范围，有望作为一种增益介质在1700 nm区域构建脉冲激光器。市售TDF在1700 nm波段中的主要限制是强烈的重吸收和反常色散，与正常色散相比，反常色散会限制脉冲能量，所以实现低于1800 nm的TDF激光器一直是一项挑战。

在该文章中，该研究组开发了一种基于二氧化硅的抛物线W型TDF，在1600 nm以上的波长具有正色散，并且W型TDF还通过光纤弯曲表现出分布的短通滤波效果。因此，抛物线W型正色散TDF（NDTDF）在适当的弯曲直径下可作为1700 nm处的有效增益介质。如图3a所示，光谱弯曲损耗受弯曲直径的影响很大，W型NDTDF本身可作为分布式短通滤波器，并且只需改变弯曲直径即可在1740－1940 nm的宽范围内调节短通截止波长λcutoff（以实点表示λcutoff）。

此外，如图3c所示，W型NDTDF在纤芯区域具有接近抛物线的轮廓。抛物线轮廓能极大地消除弯曲畸变，如图3d和3e所示，在1700－2020 nm的宽范围内，模场直径和纤芯中LP01模式的功率在该光纤很大的弯曲中都能保持稳定。因此，光纤中W型和抛物线轮廓的独特组合实现了稳定的、由弯曲诱导的短通滤波效应，而且不会破坏基模的运行。随后，他们研究了光纤在弯曲下的色散（图4），该弯曲会改变LP01模式的有效折射率和相应的色散值，但在1650－1800 nm范围内，不管弯曲直径如何，计算得到的色散值与测得的未弯曲光纤的色散值高度吻合，并且均为正色散。

图3 W型NDTDF的光纤表征

图4 光纤不同弯曲直径处的色散曲线

作者利用W型NDTDF作为短波工作的增益介质，搭建了全光纤脉冲激光器，如图5所示。该八字形振荡器基于非线性放大环形镜结构，该环形镜使用了弯曲直径为8 cm的1．8 m 长的W型NDTDF。此外，他们利用5 m长的W型NDTDF光纤搭建了放大器，并最终使用SMF28光纤来压缩放大后的脉冲。

图5 实验装置

如图6所示，在1565 nm CW光纤激光器的泵浦功率约为31 dBm的情况下，稍微调整偏振控制器，可以在1766 nm处获得稳定的自启动锁模，输出脉冲的重复频率为4．96 MHz，平均功率为4 mW，光谱的半高全宽约为3．2 nm。如图7所示，在放大阶段，放大后脉冲的光谱半高全宽约为5nm，与振荡器种子的光谱相比略宽；输出功率几乎随泵浦功率线性增加，斜效率为31．5％；最大泵浦功率为36dBm（4W）时，对应的单脉冲能量约为158．2 nJ；图7左下角描绘了所测得的脉冲，没有观察到任何脉冲破裂，脉冲宽度约为5．63 ps。在压缩阶段使用16米长的SMF－28进行压缩，可得到短于374 fs的脉冲。

图6 振荡器的实验结果

图7 放大器的实验结果

总之，该课题组研发了中心波长在1700nm附近的高能量飞秒全光纤激光系统，验证了W型NDTDF用作短波工作增益介质的潜力。通过优化振荡器和放大器中W型NDTDF的弯曲直径，可以在1760 nm附近产生能量为158．2 nJ、宽度为5．63 ps的超短脉冲，在压缩阶段使用SMF－28（16m），可实现短于374 fs的脉冲。与基于BDF或商用TDF的光纤激光器相比，脉冲能量增加了大约一个数量级。

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