基于光纖OPCPA的高能量1300 nm、1700 nm超快光源

波長為1300 nm和1700 nm的激光光源在工業(yè)焊接和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。在工業(yè)焊接方面，由于烴鍵對1700 nm波段的高吸收率，該波長激光光源可用于某些聚合物和塑料的焊接；在生物醫(yī)學(xué)方面，生物組織在1300 nm和1700 nm處具有相對較低的水吸收和較長的散射長度，因此該波長的高功率超短激光源是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中強有力的工具。特別是在多光子顯微鏡、高分辨率光學(xué)相干斷層掃描和精密眼科手術(shù)等應(yīng)用中。但是，目前1300 nm和1700 nm增益介質(zhì)還不成熟，直接獲得該波長高功率激光輸出仍然很困難。因此通常利用波長轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)1300nm和1700nm激光輸出。常用的波長轉(zhuǎn)換方法有：光參量振蕩器（OPO）和放大器（OPA）、拉曼孤子自頻移（RSSFS）和超連續(xù)產(chǎn)生（SCG）?；诜蔷€性晶體的光參量振蕩器和放大器，非線性晶體的空間準(zhǔn)直導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，并且對環(huán)境敏感。利用拉曼孤子自頻移的方法能夠?qū)⑾到y(tǒng)做成全光纖結(jié)構(gòu)，不需要空間準(zhǔn)直，從而使系統(tǒng)更緊湊，但是輸出功率受光纖模場面積的限制。超連續(xù)產(chǎn)生的方法能夠克服這一限制，但在產(chǎn)生超連續(xù)之前，需要將高能量的泵浦脈沖壓縮到近變換極限脈寬，預(yù)壓縮和自由空間的耦合使得系統(tǒng)更加復(fù)雜。

美國亞利桑那大學(xué)的YUKUN QIN等人采用光纖光參量啁啾脈沖放大（FOPCPA）的方法，產(chǎn)生了平均功率大于1 W、中心波長在1300 nm和1700 nm的百飛秒超短脈沖序列。系統(tǒng)為全光纖結(jié)構(gòu)，具有良好的緊湊性和穩(wěn)定性。

圖1 基于FOPCPA產(chǎn)生1700nm光源的實驗裝置圖 ［1］

產(chǎn)生1700 nm光源的裝置圖如圖1所示，主要由6個部分組成：碳納米管鎖模光纖振蕩器、摻鉺光纖預(yù)放大器、超連續(xù)產(chǎn)生、二級摻鉺光纖預(yù)防大器、雙包層Er／Yb共摻光纖主放大器、光參量放大器和輸出監(jiān)測系統(tǒng)。YUKUN QIN等人利用自制的碳納米管鎖模光纖振蕩器得到中心波長1561 nm、光譜帶寬8 nm（對應(yīng)的變換極限脈沖寬度為315fs（sech2））、重復(fù)頻率33．9 MHz，平均功率1．7 mW的種子光輸出，并緊接著將其輸入第一級摻鉺光纖預(yù)放大器，由于該放大器的增益光纖為正色散光纖，種子光的平均功率被放大到68 mW的同時，其光譜寬度也展寬至40 nm。放大后的脈沖經(jīng)過90：10的耦合器，90％的能量作為信號光進入高非線性光纖（HNLF）產(chǎn)生超連續(xù)，之后利用帶通濾波器濾出波長為1410 nm的光譜成分（如圖2b所示）。10％的泵浦光經(jīng)過中心波長1543 nm、帶寬5 nm的帶通濾波器之后進入二級預(yù)防大，泵浦光平均功率被放大到30 mW。利用光學(xué)延遲線同步后的泵浦光和信號光經(jīng)過波分復(fù)用器合束之后進入主放大器，泵浦光平均功率被進一步放大到7W。最后，信號光和放大后的泵浦光進入DSF中進行參量放大，得到平均功率大于1 W的1700 nm激光輸出。并對輸出光特性進行檢測。

圖2 產(chǎn)生1700 nm激光光源的（a）PM－DSF相位匹配條件，（b）第三部分產(chǎn)生的超連續(xù)譜（c）1 kW啁啾泵浦光（1543 nm）引起的參量增益的頻譜圖（d）第四部分泵浦光的光譜圖 ［1］

根據(jù)模擬的結(jié)果以及DSF中的相位匹配條件，選用160 ps的負(fù)啁啾泵浦光（1543 nm）和90 ps的負(fù)啁啾信號光（1410 nm）產(chǎn)生1700 nm的閑散光。光參量放大的結(jié)果如圖3所示，相比于未同步的情況，同步之后的能量轉(zhuǎn)化效率顯著提升。當(dāng)泵浦功率為6．5 W時，1700 nm閑散光功率為1．42 W（能量轉(zhuǎn)換效率21％），脈沖能量超過40 nJ，光譜寬度約為32 nm（對應(yīng)變換極限脈寬200 fs），壓縮后脈沖寬度為450 fs。

圖3 產(chǎn)生1700 nm的FOPCPA的輸出結(jié)果 ［1］

產(chǎn)生1300 nm光源的裝置圖如圖4所示，與圖1相比，主要有兩點不同：（1）產(chǎn)生超連續(xù)后的信號光沒有經(jīng)過濾波；（2）所用參量增益光纖為康寧公司的一款色散位移光纖，簡稱為LSF。

圖4 基于FOPCPA產(chǎn)生1700nm光源的實驗裝置圖 ［2］

產(chǎn)生1300 nm激光光源的光參量放大結(jié)果如圖5所示，根據(jù)LSF中的相位匹配條件，當(dāng)泵浦光波長為1543 nm時，可以放大1300 nm的信號光和1900 nm的閑散光。當(dāng)泵浦功率為7．4 W時，得到1．1 W的1300 nm信號光（能量轉(zhuǎn)化效率15％），對應(yīng)的脈沖能量為20 nJ（重復(fù)頻率53．48 MHz），信號光光譜寬度約為12 nm，脈沖寬度為306 fs。

圖5 產(chǎn)生1300 nm的FOPCPA的輸出結(jié)果 ［2］

YUKUN QIN等人將1300 nm激光耦合到多光子顯微鏡中對生物組織成像，在三種樣品中都獲得了高信噪比的雙光子激發(fā)熒光（2PEF）和三倍頻信號。其中檸檬樹葉（a），豌豆種子切片（b）和未染色的小鼠大腦切片（c）的多光子圖像如圖6所示。

圖6 基于1300 nm光源的多光子顯微鏡成像 ［2］

YUKUN QIN等人利用FOPCPA技術(shù)，首次產(chǎn)生了平均功率瓦級的1300 nm和1700 nm兩個重要生物醫(yī)學(xué)窗口波長的高能量光源。系統(tǒng)基于全光纖設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強，有利于適應(yīng)實驗室以外的應(yīng)用場景。

審核編輯：符乾江