上海光机所在高功率U波段飞秒激光方面取得新进展

图1：基于非线性光增益调制的高功率U波段超快激光实验装置

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所周佳琦研究员团队，在高功率U波段飞秒激光产生方面取得新进展。相关研究成果以“High-power U-band femtosecond laser pulses generated by nonlinear optical gain modulation”为题，发表于Optics Letters。

U波段(1620-1680 nm)超快激光在温室气体检测、激光雷达、光通信以及生物成像等领域具有重要的应用价值。然而，该波段处于铒、铥等常用稀土离子发射谱的空白区域，难以借助传统锁模激光技术实现超快脉冲输出。目前，产生U波段超快脉冲的主要方法包括超连续谱产生、孤子自频移和自相位调制等，但这些方法普遍存在能量转换效率较低(通常低于20%)、系统结构复杂以及调谐困难等问题，因而在实际应用中仍面临较大挑战。

图2：随1550 nm泵浦功率提高，1645 nm单频激光在拉曼增益调制作用下发生显著光谱展宽。a-f: 泵浦功率逐渐提高，单频激光被调制实现光谱展宽;g: 经过脉冲压缩后的光谱;h: U波段光谱细节

图3：最大泵浦条件下输出的U波段激光脉冲性能表征：时域脉冲串(a);射频谱(b);压缩前(c)与压缩后的脉冲自相关信号(d)

针对上述瓶颈问题，研究团队提出了一种基于非线性光学增益调制的方法，用于产生U波段超快脉冲。该技术以1550 nm锁模脉冲作为泵浦光源，与1645 nm单频种子激光共同耦合进入拉曼增益光纤，通过受激拉曼散射效应将1550 nm波段的能量转移至1645 nm，并同步将单频连续激光调制为超快脉冲。实验装置示意图如图1所示。随着1550 nm超快脉冲泵浦功率的逐步提高，1645 nm单频激光在拉曼增益调制作用下发生显著光谱展宽。在泵浦功率为4.3 W时，光谱带宽约达20 nm，系统实现了63.2%的高能量转换效率，如图2所示。同时，该单频连续激光在时域上被成功调制为超快脉冲，并能够被压缩至接近傅里叶变换极限，如图3所示。相较于传统方法，该方案突破了能量转换效率低与调谐困难的瓶颈：不仅实现了超过60%的高能量转换效率、覆盖U波段的宽调谐能力，产生的超快脉冲也继承了单频激光的高相干性;同时，其全保偏光纤结构兼具低成本、低复杂度、结构紧凑与环境稳定性好等多重优势。本研究为开发高性能U波段超快激光器开辟了全新路径，奠定了坚实的应用基础。

相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金等项目的支持。

审核编辑 黄宇