基于光纤OPCPA的高能量1300 nm、1700 nm超快光源

波长为1300 nm和1700 nm的激光光源在工业焊接和生物医学等领域有着潜在的应用前景。在工业焊接方面，由于烃键对1700 nm波段的高吸收率，该波长激光光源可用于某些聚合物和塑料的焊接；在生物医学方面，生物组织在1300 nm和1700 nm处具有相对较低的水吸收和较长的散射长度，因此该波长的高功率超短激光源是生物医学领域中强有力的工具。特别是在多光子显微镜、高分辨率光学相干断层扫描和精密眼科手术等应用中。但是，目前1300 nm和1700 nm增益介质还不成熟，直接获得该波长高功率激光输出仍然很困难。因此通常利用波长转换的方法实现1300nm和1700nm激光输出。常用的波长转换方法有：光参量振荡器（OPO）和放大器（OPA）、拉曼孤子自频移（RSSFS）和超连续产生（SCG）。基于非线性晶体的光参量振荡器和放大器，非线性晶体的空间准直导致系统体积庞大，并且对环境敏感。利用拉曼孤子自频移的方法能够将系统做成全光纤结构，不需要空间准直，从而使系统更紧凑，但是输出功率受光纤模场面积的限制。超连续产生的方法能够克服这一限制，但在产生超连续之前，需要将高能量的泵浦脉冲压缩到近变换极限脉宽，预压缩和自由空间的耦合使得系统更加复杂。

美国亚利桑那大学的YUKUN QIN等人采用光纤光参量啁啾脉冲放大（FOPCPA）的方法，产生了平均功率大于1 W、中心波长在1300 nm和1700 nm的百飞秒超短脉冲序列。系统为全光纤结构，具有良好的紧凑性和稳定性。

 

图1 基于FOPCPA产生1700nm光源的实验装置图 ［1］

产生1700 nm光源的装置图如图1所示，主要由6个部分组成：碳纳米管锁模光纤振荡器、掺铒光纤预放大器、超连续产生、二级掺铒光纤预防大器、双包层Er／Yb共掺光纤主放大器、光参量放大器和输出监测系统。YUKUN QIN等人利用自制的碳纳米管锁模光纤振荡器得到中心波长1561 nm、光谱带宽8 nm（对应的变换极限脉冲宽度为315fs（sech2））、重复频率33．9 MHz，平均功率1．7 mW的种子光输出，并紧接着将其输入第一级掺铒光纤预放大器，由于该放大器的增益光纤为正色散光纤，种子光的平均功率被放大到68 mW的同时，其光谱宽度也展宽至40 nm。放大后的脉冲经过90：10的耦合器，90％的能量作为信号光进入高非线性光纤（HNLF）产生超连续，之后利用带通滤波器滤出波长为1410 nm的光谱成分（如图2b所示）。10％的泵浦光经过中心波长1543 nm、带宽5 nm的带通滤波器之后进入二级预防大，泵浦光平均功率被放大到30 mW。利用光学延迟线同步后的泵浦光和信号光经过波分复用器合束之后进入主放大器，泵浦光平均功率被进一步放大到7W。最后，信号光和放大后的泵浦光进入DSF中进行参量放大，得到平均功率大于1 W的1700 nm激光输出。并对输出光特性进行检测。

 

图2 产生1700 nm激光光源的（a）PM－DSF相位匹配条件，（b）第三部分产生的超连续谱（c）1 kW啁啾泵浦光（1543 nm）引起的参量增益的频谱图（d）第四部分泵浦光的光谱图 ［1］

根据模拟的结果以及DSF中的相位匹配条件，选用160 ps的负啁啾泵浦光（1543 nm）和90 ps的负啁啾信号光（1410 nm）产生1700 nm的闲散光。光参量放大的结果如图3所示，相比于未同步的情况，同步之后的能量转化效率显著提升。当泵浦功率为6．5 W时，1700 nm闲散光功率为1．42 W（能量转换效率21％），脉冲能量超过40 nJ，光谱宽度约为32 nm（对应变换极限脉宽200 fs），压缩后脉冲宽度为450 fs。

 

图3 产生1700 nm的FOPCPA的输出结果 ［1］

产生1300 nm光源的装置图如图4所示，与图1相比，主要有两点不同：（1）产生超连续后的信号光没有经过滤波；（2）所用参量增益光纤为康宁公司的一款色散位移光纤，简称为LSF。

 

图4 基于FOPCPA产生1700nm光源的实验装置图 ［2］

产生1300 nm激光光源的光参量放大结果如图5所示，根据LSF中的相位匹配条件，当泵浦光波长为1543 nm时，可以放大1300 nm的信号光和1900 nm的闲散光。当泵浦功率为7．4 W时，得到1．1 W的1300 nm信号光（能量转化效率15％），对应的脉冲能量为20 nJ（重复频率53．48 MHz），信号光光谱宽度约为12 nm，脉冲宽度为306 fs。

 

图5 产生1300 nm的FOPCPA的输出结果 ［2］

YUKUN QIN等人将1300 nm激光耦合到多光子显微镜中对生物组织成像，在三种样品中都获得了高信噪比的双光子激发荧光（2PEF）和三倍频信号。其中柠檬树叶（a），豌豆种子切片（b）和未染色的小鼠大脑切片（c）的多光子图像如图6所示。

 

图6 基于1300 nm光源的多光子显微镜成像 ［2］

YUKUN QIN等人利用FOPCPA技术，首次产生了平均功率瓦级的1300 nm和1700 nm两个重要生物医学窗口波长的高能量光源。系统基于全光纤设计，结构紧凑，稳定性强，有利于适应实验室以外的应用场景。

审核编辑：符乾江