超快光纖雷射技術:波長在1.76微米的全光纖摻銩光纖雷射器

2020-11-24 同花順金融服務網

　　與約800nm和1300nm的常規激發波長相比，第三近紅外(NIR-III)光學窗口(1600-1850nm)為生物成像應用提供了更長的衰減長度(圖1)。最近，很多研究組已對NIR-III窗口中1700nm附近的雷射源進行了深入研究，以實現更深的穿透深度，用於高解析度光學成像，例如三光子顯微鏡(3PM)和光學相干層析成像。3PM需要高能超快脈衝，以促進NIR-III區域中的三光子吸收；另外，需要波長可調以增加可利用的螢光團的數量。

　　圖1 在第三近紅外(NIR-III)光學窗口的三光子成像

　　迄今為止，3PM的光源多數基於光纖中的孤子自頻移(SSFS)效應，但SSFS有轉換效率低、泵浦功率需要高能量和必不可少的自由空間體光學元件等缺點(圖2)。另一方面，還可以使用基於GeO2-SiO2玻璃的摻鉍光纖(BDF)作為增益光纖來開發1700nm附近的光纖雷射器，但是由於1700nm處的增益較低(<1dB/m)，所以所需BDF的長度較長，較長的光纖又會積累過量的非線性相移，最終可獲得的脈衝能量較低，遠遠不能滿足3PM對於光源的要求。

　　圖2 基於孤子自頻移的光源

　　基於二氧化矽的摻銩光纖(TDF)在3F4-3H6躍遷中具有1600至2100nm的寬發射範圍，有望作為一種增益介質在1700nm區域構建脈衝雷射器。市售TDF在1700nm波段中的主要限制是強烈的重吸收和反常色散，與正常色散相比，反常色散會限制脈衝能量，所以實現低於1800nm的TDF雷射器一直是一項挑戰。

　　在該文章中，該研究組開發了一種基於二氧化矽的拋物線W型TDF，在1600nm以上的波長具有正色散，並且W型TDF還通過光纖彎曲表現出分布的短通濾波效果。因此，拋物線W型正色散TDF(NDTDF)在適當的彎曲直徑下可作為1700nm處的有效增益介質。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，並且只需改變彎曲直徑即可在1740-1940nm的寬範圍內調節短通截止波長λcutoff(以實點表示λcutoff)。

　　此外，如圖3c所示，W型NDTDF在纖芯區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1700-2020nm的寬範圍內，模場直徑和纖芯中LP01模式的功率在該光纖很大的彎曲中都能保持穩定。因此，光纖中W型和拋物線輪廓的獨特組合實現了穩定的、由彎曲誘導的短通濾波效應，而且不會破壞基模的運行。隨後，他們研究了光纖在彎曲下的色散(圖4)，該彎曲會改變LP01模式的有效折射率和相應的色散值，但在1650-1800nm範圍內，不管彎曲直徑如何，計算得到的色散值與測得的未彎曲光纖的色散值高度吻合，並且均為正色散。

　　圖3 W型NDTDF的光纖表徵

　　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，搭建了全光纖脈衝雷射器，如圖5所示。該八字形振蕩器基於非線性放大環形鏡結構，該環形鏡使用了彎曲直徑為8cm的1.8m長的W型NDTDF。此外，他們利用5m長的W型NDTDF光纖搭建了放大器，並最終使用SMF28光纖來壓縮放大後的脈衝。

　　圖5 實驗裝置

　　如圖6所示，在1565nm CW光纖雷射器的泵浦功率約為31dBm的情況下，稍微調整偏振控制器，可以在1766nm處獲得穩定的自啟動鎖模，輸出脈衝的重複頻率為4.96MHz，平均功率為4mW，光譜的半高全寬約為3.2nm。如圖7所示，在放大階段，放大後脈衝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，對應的單脈衝能量約為158.2nJ；圖7左下角描繪了所測得的脈衝，沒有觀察到任何脈衝破裂，脈衝寬度約為5.63ps。在壓縮階段使用16米長的SMF-28進行壓縮，可得到短於374fs的脈衝。

　　圖6 振蕩器的實驗結果

　　圖7 放大器的實驗結果

　　總之，該課題組研發了中心波長在1700nm附近的高能量飛秒全光纖雷射系統，驗證了W型NDTDF用作短波工作增益介質的潛力。通過優化振蕩器和放大器中W型NDTDF的彎曲直徑，可以在1760nm附近產生能量為158.2nJ、寬度為5.63ps的超短脈衝，在壓縮階段使用SMF-28(16m)，可實現短於374fs的脈衝。與基於BDF或商用TDF的光纖雷射器相比，脈衝能量增加了大約一個數量級。

　　超快光纖雷射技術之九：用於相干合成的合束-分束集成器件

　　參考文獻:

　　[1]S.Chen et al.,「All-fiber short-wavelength tunable mode-locked fiber laser using normal dispersion thulium-doped fiber,」Opt.Express28(12),17570(2020)

　　[2]S.Chen et al.,「High-energy Pulse Generation at1.76μm from All-fiber Laser Configuration using Normal Dispersion Thulium-doped Fiber,」Paper ATh1A.3,2020OSA Laser Congress

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