基于光纖中超短脈沖非線性傳輸機理與特定光譜選擇技術的多波長飛秒激光的產生?

呂志國 楊直 李峰 李強龍 王屹山 楊小君

(中國科學院西安光學精密機械研究所,瞬態光學與光子技術國家重點實驗室,西安 710119)

1 引 言

隨著激光技術的發展,超短脈沖激光源在眾多基礎科學研究與應用領域具有廣闊的應用前景,現已成為科研[1]、計量[2]、激光精密加工[3]等諸多領域不可或缺的基本工具.直到現在,科研工作者仍朝著短至阿秒脈沖寬度[4]與高達百拍瓦峰值功率[5]的超短超強激光方向發展,不斷地追求著超快激光的極限以滿足特定的應用需求.除了在脈沖寬度與峰值功率的探索外,鑒于寬調諧飛秒激光在大氣遙感、燃燒診斷、生物醫學等領域的重要應用價值,超短脈沖激光的輸出波長調諧特性也成了一個重要的研究課題[6].如在生物多光子顯微成像中,具有適中脈沖能量的飛秒激光在與神經細胞相互作用過程中由于對組織結構的無熱損傷、高分辨與大的穿透深度等特性被廣泛應用于以神經生物學為代表的生命科學研究中[7].為了進一步揭示不同神經元間特殊細胞與分子的生物學特性,寬調諧飛秒激光產生技術成為了研究重點.在多光子顯微成像中,現階段廣泛使用的飛秒激光是基于鈦寶石晶體的克爾透鏡鎖模激光器與基于非線性頻率變換技術的光學參量振蕩器.然而,可調諧鈦寶石激光器與光學參量振蕩器由于振蕩腔鏡嚴苛的對齊性與差的抗環境干擾性,使其應用環境范圍受到了限制.因此,寬調諧飛秒激光源的激光性能(輸出波長調諧范圍與可靠性)提升是現階段亟待解決的關鍵科學問題.

相比于固態塊狀晶體激光器,光纖激光器經過半個多世紀的發展無論在輸出功率[8]、脈沖寬度[9]、還是在單脈沖能量[10]等方面均獲得了顯著發展.更為重要的是,光纖的易彎曲與可柔性熔融拼接特性為高集成、高可靠性全光纖激光源的發展提供了充分條件[11?15].固體與光纖飛秒激光技術的迅速發展,同時也促進了非線性光纖光學的發展.如2010年,麻省理工學院的研究人員基于光纖負色散區的色散波產生機制,通過采用重復頻率85 MHz,脈沖寬度10 fs的鈦寶石激光器抽運非線性光子晶體光纖(NL-1.8-710 PCF),實現了中心波長在450—550 nm范圍內可調諧的飛秒激光輸出[16].2015年,德國耶拿大學Gottschall等[17]基于四波混頻參量轉換過程,采用光子晶體光纖實現了重復頻率0.78 MHz,波長調諧范圍867—918 nm的信號激光輸出.在國內,清華大學Zhang等[18,19]也基于光子晶體光纖中的非線性效應開展了寬帶可調諧激光產生研究,在色散波產生與光參量振蕩方面取得了重要研究成果.如采用雙零色散光子晶體光纖,其分別在425—498 nm與1986—2279 nm實現了可調諧皮秒激光輸出.理論研究表明,當飛秒激光脈沖在低色散光纖中的正色散區非線性傳輸時,自相位調制與自陡峭等非線性光學效應會導致入射脈沖光譜加寬并使其呈多峰狀分布,且峰內光譜具有高相干性.光譜的多峰分布與高的相干性,使每一波峰處光譜成分經過具有相同中心波長與光譜帶寬的帶通濾波器過濾后,可直接獲得近傅里葉轉換極限脈寬的飛秒激光輸出.基于自相位調制與自陡峭等非線性光譜加寬機理與帶通濾波選擇技術,2015年德國自由電子激光科學中心的研究人員采用光子晶體光纖(NL-1050-ZERO-2)獲得了825—1210 nm的寬調諧飛秒激光輸出[20].

綜上所述,非線性光子晶體光纖由于色散可調與非線性可控等特性,使其成為寬調諧飛秒激光產生常用的非線性介質.然而,基于光子晶體光纖的寬調諧飛秒激光產生也存在著一定的不足.首先,由于非線性光子晶體光纖芯徑較小(約2μm),且入射飛秒激光脈沖的峰值功率密度較高,使得光纖抽運入射端極易受到損傷,因此限制了可調諧激光的功率輸出.其次,由于非線性光子晶體光纖的使用涉及光子晶體結構對水蒸氣、灰塵的毛細孔吸附與小芯徑光纖的高效激光耦合等問題,因此對于基于非線性光子晶體光纖的寬調諧飛秒激光源而言,其激光長期工作性能將會下降,且輸出功率對機械振動、環境溫度與濕度變化異常敏感.最后,由于光子晶體光纖特殊的設計與制造技術,使其價格昂貴.相比于非線性光子晶體光纖,單模光纖盡管具有大的色散系數,但是其極低的成本與持久的激光性能,不僅降低了寬調諧飛秒激光器的研究成本,而且也顯著提升了激光器的工作性能(不會由于毛細孔吸收而導致光纖性能下降).同時,大的纖芯直徑(6μm)在提升寬調諧飛秒激光源輸出功率與可靠性方面也具有重要優勢.

因此,為了進一步探究高性能飛秒激光脈沖在單模光纖中的非線性傳輸及輸出光譜的相干性,采用中心波長約為1035 nm、脈沖寬度為264 fs、重復頻率為34 MHz的高功率全保偏光纖飛秒激光器作為抽運源,本文開展了基于單模光纖(非線性系數約為5.5 W?1·km?1,色散系數約為20 fs2/mm)作為非線性介質的多波長飛秒激光產生研究,以期為生物多光子顯微成像提供高集成、高可靠性寬調諧飛秒激光源.實驗中為了盡可能地降低光纖色散對自相位調制與自陡峭非線性光譜加寬機制的影響,長度為80 mm的單模光纖被用于高相干性非線性光譜產生研究.通過調節耦合進單模光纖中的激光功率,并采用不同中心波長的帶通濾波片對輸出寬光譜中相應激光波長進行濾波,實驗獲得了輸出波長在980—1100 nm的寬調諧飛秒激光輸出.實驗選擇性地對中心波長在980,1000,1050,1070與1100 nm的激光脈沖脈寬進行了測量,其對應的脈沖寬度分別為203,195,196,187與194 fs.本文報道的多波長飛秒激光產生技術方案為低成本、高集成、高可靠性寬調諧飛秒激光源發展提供了新的研究思路,具有重要研究意義.

2 實驗裝置

用于寬調諧飛秒激光產生研究的光路示意圖如圖1所示,其主要是由高可靠性飛秒激光抽運源、功率調節器、非線性光譜展寬光纖(spectral broadening fiber,SBF)與不同中心波長的帶通濾波片組成.所提到的高可靠性飛秒激光抽運源是自制的輸出功率為5.8 W、脈沖寬度為264 fs、中心波長為1035 nm、重復頻率為34 MHz全保偏光纖飛秒激光放大器,其主要包括自主研發的全保偏光纖SESAM鎖模激光振蕩器(SESAM mode-locked oscillator)、單模保偏光纖展寬器、單模光纖放大器(single-mode amplifier)、雙包層光纖放大器(dual-cladding amplifier)與透射光柵壓縮器.所提到的功率調節器是由二分之一波片(λ/2)與格蘭激光棱鏡(Glan laser prism,GLP)構成.在寬調諧飛秒激光產生實驗研究中,可以通過旋轉二分之一波片(λ/2)的旋向實現非線性SBF中激光耦合功率的實時調控.非線性光纖輸出的寬光譜激光脈沖首先經過焦距為10 mm的透鏡準直,后經特定中心波長的帶通濾波片(BP filter)過濾,最終可采用光譜儀(OSA)和強度自相關儀(AC)對濾波后的激光光譜和脈寬進行測量.

圖1 高功率全保偏光纖飛秒激光器抽運單模光纖產生多波長飛秒激光研究方案(AC,強度自相關儀;OSA,光譜儀;BP filter,帶通濾波片;SBF,非線性光譜展寬光纖;GLP,格蘭激光棱鏡;ISO,隔離器;λ/4,四分之一波片;λ/2,二分之一波片)Fig.1.Schematic of the multi-wavelength femtosecond laser generation based on single-mode fiber as nonlinear medium and high power all-polarization-maintaining femtosecond fiber laser as pump source(AC,autocorrelator;OSA,optical spectrum analyzer;BP filter,bandpass filter;SBF,single-mode spectral broadening fiber;GLP,Glan laser polarizer;ISO,isolator;λ/4,quarter-wave plate;λ/2,half-wave plate).

3 實驗結果與分析

由于鎖模光纖激光振蕩器作為光纖激光放大器尤其是飛秒光纖激光放大器的前端核心模塊,其激光性能對整個激光系統的輸出與可靠運行有決定性作用,是實現高可靠性飛秒光纖激光源的前提和保證.因此,為了提升多波長飛秒激光源的整體工作可靠性,本文首先基于SESAM自啟動鎖模技術與寬帶啁啾光纖光柵色散補償技術開展了鎖模光纖激光振蕩器的可靠性提升研究,最終獲得了10—40?C范圍內穩定鎖模運轉和常溫23?C下功率穩定性達0.6%RMS@168 h的激光輸出.圖2給出了其實驗測試結果.

圖2 實驗測試結果 (a)鎖模激光器在10—40?C溫度變化范圍內鎖模性能測試;(b)在常溫23?C鎖模激光器7×24 h功率穩定性測試Fig.2.Experimental test results:(a)Reliability test of the SESAM mode-locked all-polarization-maintaining fiber laser oscillator with temperature variations from 10 ?C to 40 ?C;(b)power stability measurement over 168 h at 23 ?C.

在放大之前,鎖模激光器輸出的帶寬為14 nm的激光脈沖首先經過一段單模保偏光纖展寬至50 ps,后經過芯徑為6μm與25μm的兩級Yb增益光纖放大器放大,可獲得大于11 W的激光功率輸出.為了消除25μm雙包層Yb光纖放大器(dual-cladding amplifier)后向熒光散射對于芯徑6μm單模光纖放大器(single-mode amplifier)放大效率的影響,實驗中采用了高隔離度與高偏振消光比的光纖隔離器以確保光束的單向傳輸.25μm雙包層Yb光纖放大器輸出的高功率線偏振激光脈沖經過兩個45?高反鏡后注入透射光柵壓縮器進行脈沖時間域的壓縮,最終可獲得小于300 fs的超短脈沖激光輸出.如圖1所示,透射光柵壓縮器主要包括1μm 0?高反鏡、1000 lines/mm 透射光柵對、四分之一波片(λ/4)、空間光隔離器及二分之一波片(λ/2).其中,四分之一波片(λ/4)、空間光隔離器和二分之一波片(λ/2)的組合不僅可以提高壓縮效率,有效消除壓縮后激光脈沖對于前向雙包層Yb光纖放大器的影響,而且還可以實現壓縮脈沖與入射啁啾脈沖的分離.圖3顯示了壓縮后與不同輸出功率對應的強度自相關曲線.

從圖3(d)可以看出,經過透射光柵壓縮后在5.83 W的輸出功率下,可以獲得264 fs的高質量激光輸出.對于偏離最佳輸出功率5.83 W的激光脈沖而言,由于非線性相位與系統三階色散的失配,使得壓縮后在主脈沖兩邊分別出現了預脈沖(圖3(a)—(c)與圖3(e)、圖3(f)),進而降低了輸出激光脈沖的峰值功率.激光脈沖三階色散的引入主要來源于整個光纖鏈路(約110 m的總光纖長度),而非線性相位主要來源于第二級25μm雙包層Yb光纖放大器.通過調節雙包層Yb光纖放大器的抽運激光功率,可以實現三階色散與非線性相位的匹配,獲得高功率高質量的飛秒激光輸出(圖3(d)).

在經過上述優化設計后,基于5.83 W,264 fs的高可靠性全保偏光纖飛秒激光源,采用長度為80 mm的單模光纖,開展了寬調諧飛秒激光產生技術研究.實驗中,通過調整二分之一波片(λ/2)與GLP可以對耦合進非線性光纖的激光功率進行控制,進而獲得中心波長在980—1100 nm的連續可調諧飛秒激光輸出.本文中所報道的寬調諧飛秒激光產生的基本原理是當高峰值功率飛秒激光脈沖在低色散光纖中的正色散區非線性傳輸時,自相位調制與自陡峭等非線性光學效應會使入射脈沖光譜加寬,并呈多峰狀分布.由于在非線性光譜加寬過程中,最小化了色散效應的影響,因此產生的多峰狀光譜具有高的相干性.通過采用具有一定帶寬且與光譜最左邊和最右邊光譜旁瓣峰值處中心波長相同的帶通濾波片,可以將相應光譜旁瓣進行有效選擇,進而實現多波長寬調諧飛秒激光輸出.圖4給出了非線性光纖在50,100,200,300,400,500,618,720,830,910和1020 mW耦合抽運激光功率下的輸出光譜.

圖3 經過透射光柵壓縮后,測量的與不同輸出功率相對應的強度自相關曲線 (a)3.15 W/295 fs;(b)4.12 W/277 fs;(c)4.97 W/274 fs;(d)5.83 W/264 fs;(e)6.66 W/259 fs;(f)7.45 W/257 fsFig.3.Autocorrelation trace of the output pulse corresponding to the different amplified compressed output power assuming a Gauss fitting:(a)3.15 W/295 fs;(b)4.12 W/277 fs;(c)4.97 W/274 fs;(d)5.83 W/264 fs;(e)6.66 W/259 fs;(f)7.45 W/257 fs.

圖4 與不同耦合抽運功率對應的單模光纖輸出光譜Fig.4.Broadened output spectra corresponding to the different coupled pump laser power in nonlinear fiber.

由圖4(a)—(l)可以看出,對于光譜中最左邊的光譜旁瓣而言,隨著非線性光纖中耦合抽運功率的增加其輸出中心波長由初始的約1035 nm(圖4(a))逐漸變化至980 nm(圖4(l)).反之,對于光譜中最右邊的光譜旁瓣而言,其輸出中心波長由初始的約1035 nm(圖4(a))逐漸變化至1100 nm(圖4(j)).圖5給出了單模光纖輸出的非線性加寬光譜中短波與長波隨著耦合抽運功率的變化趨勢.

圖5 自相位調制與自陡峭加寬光譜中最左邊與最右邊光譜旁瓣隨著光纖中耦合抽運功率的變化趨勢Fig.5.Variations of the short wavelength and long wavelength with the coupled pump laser power in nonlinear fiber.

實驗中,通過采用中心波長在980,1000,1050,1070和1100 nm且帶寬為10 nm的帶通濾波片,選擇性地對圖4(a)—(l)中光譜的最左邊與最右邊光譜旁瓣進行濾波,并采用光譜儀和強度自相關儀分別對濾波后激光光譜和脈沖寬度進行了測量.圖6和圖7分別顯示了濾波后的光譜分布與脈沖強度自相關曲線.

圖6 輸出中心波長在980—1100 nm的光譜調諧曲線(圖中短虛線顯示了抽運波長)Fig.6. Tunable output spectra with center wavelengths between 980 nm and 1100 nm.The short dashed line shows the pump wavelength.

由圖7可知,帶通濾波后中心波長在980,1000,1050,1070和1100 nm處的激光脈沖時間寬度分別為203,195,196,187與194 fs.雖然經過帶通濾波后可以直接獲得約200 fs的超短脈沖激光,但其仍大于相應光譜對應的傅里葉轉換極限脈沖寬度.這主要歸因于以下兩方面:首先,盡管在實驗中采用了80 mm的單模光纖以盡可能減少色散的影響,但在自相位調制與自陡峭等非線性效應產生新的光譜成分過程中,由于寬的光譜跨越仍不可避免地引入了色散,進而加寬了濾波后的激光脈沖寬度;其次,本實驗中使用的濾波片較窄的濾波帶寬(10 nm)是導致輸出脈沖較寬的另外一個重要原因.

圖7 與不同中心波長相對應的強度自相關曲線Fig.7. Intensity autocorrelation traces at different center wavelengths.

4 結 論

基于高峰值功率的飛秒激光脈沖在低色散光纖中傳輸時自相位調制與自陡峭非線性光學效應引起的光譜加寬機制,結合相應的帶通濾波技術,本文報道了一種產生寬調諧飛秒激光的研究方案.通過采用自主研發的5.83 W,264 fs的高可靠性全保偏光纖飛秒激光器作為抽運源,以單模光纖作為非線性介質,實驗獲得了中心波長在980—1100 nm的多波長可調諧飛秒激光輸出.進一步優化單模光纖長度以及濾波帶寬,有望獲得脈沖寬度更短的可調諧飛秒激光輸出.同時,通過采用色散可控的光纖光柵來合理優化整個抽運激光系統中的二階色散、三階色散與非線性相位,以進一步縮短脈沖寬度(100 fs)與提高放大激光的輸出功率(10 W),有望獲得調諧范圍更寬的飛秒激光輸出.該研究結果表明基于高可靠性全保偏光纖飛秒激光脈沖在單模光纖中的非線性傳輸機理與特定光譜選擇技術實現寬調諧飛秒激光輸出的技術方案不僅可以有效降低研發成本,而且為結構緊湊且性能穩定可靠的寬調諧飛秒激光源的發展提供了新的研究途徑,并對于提升這類激光源在基礎科學和應用領域中的應用性能具有重要意義.