超快光纤激光技术：波长在1.76微米的全光纤掺铥光纤激光器

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。

参考文献：

［1］ S． Chen et al．， “All－fiber short－wavelength tunable mode－locked fiber laser using normal dispersion thulium－doped fiber，” Opt． Express 28（12）， 17570 （2020）

［2］ S． Chen et al．， “High－energy Pulse Generation at 1．76 μm from All－fiber Laser Configuration using Normal Dispersion Thulium－doped Fiber，” Paper ATh1A．3， 2020 OSA Laser Congress