高能量飛秒全光纖激光系統(tǒng)的研究和應(yīng)用分析

與約800 nm和1300 nm的常規(guī)激發(fā)波長相比，第三近紅外（NIR－III）光學(xué)窗口（1600－1850 nm）為生物成像應(yīng)用提供了更長的衰減長度（圖1）。最近，很多研究組已對(duì)NIR－III窗口中1700 nm附近的激光源進(jìn)行了深入研究，以實(shí)現(xiàn)更深的穿透深度，用于高分辨率光學(xué)成像，例如三光子顯微鏡（3PM）和光學(xué)相干層析成像。3PM需要高能超快脈沖，以促進(jìn)NIR－III區(qū)域中的三光子吸收；另外，需要波長可調(diào)以增加可利用的熒光團(tuán)的數(shù)量。

圖1 在第三近紅外（NIR－III）光學(xué)窗口的三光子成像

迄今為止，3PM的光源多數(shù)基于光纖中的孤子自頻移（SSFS）效應(yīng)，但SSFS有轉(zhuǎn)換效率低、泵浦功率需要高能量和必不可少的自由空間體光學(xué)元件等缺點(diǎn)（圖2）。另一方面，還可以使用基于GeO2－SiO2玻璃的摻鉍光纖（BDF）作為增益光纖來開發(fā)1700nm附近的光纖激光器，但是由于1700 nm處的增益較低（＜1dB ／ m），所以所需BDF的長度較長，較長的光纖又會(huì)積累過量的非線性相移，最終可獲得的脈沖能量較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足3PM對(duì)于光源的要求。

圖2 基于孤子自頻移的光源

基于二氧化硅的摻銩光纖（TDF）在3F4－3H6躍遷中具有1600至2100 nm的寬發(fā)射范圍，有望作為一種增益介質(zhì)在1700 nm區(qū)域構(gòu)建脈沖激光器。市售TDF在1700 nm波段中的主要限制是強(qiáng)烈的重吸收和反常色散，與正常色散相比，反常色散會(huì)限制脈沖能量，所以實(shí)現(xiàn)低于1800 nm的TDF激光器一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

在該文章中，該研究組開發(fā)了一種基于二氧化硅的拋物線W型TDF，在1600 nm以上的波長具有正色散，并且W型TDF還通過光纖彎曲表現(xiàn)出分布的短通濾波效果。因此，拋物線W型正色散TDF（NDTDF）在適當(dāng)?shù)膹澢睆较驴勺鳛?700 nm處的有效增益介質(zhì)。如圖3a所示，光譜彎曲損耗受彎曲直徑的影響很大，W型NDTDF本身可作為分布式短通濾波器，并且只需改變彎曲直徑即可在1740－1940 nm的寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)短通截止波長λcutoff（以實(shí)點(diǎn)表示λcutoff）。

此外，如圖3c所示，W型NDTDF在纖芯區(qū)域具有接近拋物線的輪廓。拋物線輪廓能極大地消除彎曲畸變，如圖3d和3e所示，在1700－2020 nm的寬范圍內(nèi)，模場(chǎng)直徑和纖芯中LP01模式的功率在該光纖很大的彎曲中都能保持穩(wěn)定。因此，光纖中W型和拋物線輪廓的獨(dú)特組合實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的、由彎曲誘導(dǎo)的短通濾波效應(yīng)，而且不會(huì)破壞基模的運(yùn)行。隨后，他們研究了光纖在彎曲下的色散（圖4），該彎曲會(huì)改變LP01模式的有效折射率和相應(yīng)的色散值，但在1650－1800 nm范圍內(nèi)，不管彎曲直徑如何，計(jì)算得到的色散值與測(cè)得的未彎曲光纖的色散值高度吻合，并且均為正色散。

圖3 W型NDTDF的光纖表征

圖4 光纖不同彎曲直徑處的色散曲線

作者利用W型NDTDF作為短波工作的增益介質(zhì)，搭建了全光纖脈沖激光器，如圖5所示。該八字形振蕩器基于非線性放大環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)，該環(huán)形鏡使用了彎曲直徑為8 cm的1．8 m 長的W型NDTDF。此外，他們利用5 m長的W型NDTDF光纖搭建了放大器，并最終使用SMF28光纖來壓縮放大后的脈沖。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖6所示，在1565 nm CW光纖激光器的泵浦功率約為31 dBm的情況下，稍微調(diào)整偏振控制器，可以在1766 nm處獲得穩(wěn)定的自啟動(dòng)鎖模，輸出脈沖的重復(fù)頻率為4．96 MHz，平均功率為4 mW，光譜的半高全寬約為3．2 nm。如圖7所示，在放大階段，放大后脈沖的光譜半高全寬約為5nm，與振蕩器種子的光譜相比略寬；輸出功率幾乎隨泵浦功率線性增加，斜效率為31．5％；最大泵浦功率為36dBm（4W）時(shí)，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量約為158．2 nJ；圖7左下角描繪了所測(cè)得的脈沖，沒有觀察到任何脈沖破裂，脈沖寬度約為5．63 ps。在壓縮階段使用16米長的SMF－28進(jìn)行壓縮，可得到短于374 fs的脈沖。

圖6 振蕩器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 放大器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

總之，該課題組研發(fā)了中心波長在1700nm附近的高能量飛秒全光纖激光系統(tǒng)，驗(yàn)證了W型NDTDF用作短波工作增益介質(zhì)的潛力。通過優(yōu)化振蕩器和放大器中W型NDTDF的彎曲直徑，可以在1760 nm附近產(chǎn)生能量為158．2 nJ、寬度為5．63 ps的超短脈沖，在壓縮階段使用SMF－28（16m），可實(shí)現(xiàn)短于374 fs的脈沖。與基于BDF或商用TDF的光纖激光器相比，脈沖能量增加了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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