可调谐兆瓦级亚20飞秒可见光脉冲光纤激光源
概要
波长可调且极短脉冲持续时间的超快激光源是从生物医学成像到超快光谱学等领域的重要工具。传统的钛宝石激光器、光学参量放大器等系统虽然性能卓越，但复杂的结构、高昂的成本和庞大的体积严重限制了其应用推广。近日，由英国赫瑞-瓦特大学和巴斯大学组成的国际研究团队通过巧妙结合增益管理非线性放大（GMNA）技术与共振色散波（RDW）发射，成功开发出一种紧凑高效的光纤激光系统，实现了400-700 nm波段可调的亚20 fs脉冲输出，峰值功率超过2 MW。该工作以“Tunable megawatt-scale sub-20 fs visible pulses from a fiber laser source”为题在Optica 期刊上发表，为超快激光技术的更广泛的科学和工业应用开辟了全新道路。
超快激光器的三角难题
在超快光学领域，研究人员长期面临着一个三角难题：如何同时实现短脉冲持续时间、宽波长调谐范围和高峰值功率。钛宝石振荡器虽然能产生短至5fs的脉冲，但扩展到高能量时脉冲会显著变长（≥100 fs），且调谐范围局限在680-1080 nm。光学参量放大器虽能实现更宽调谐和更短脉冲，但需要高能量放大泵浦激光器，系统复杂昂贵，只能在较低重复频率下工作。滤波超连续谱源虽然提供了快速调谐的简单途径，但脉冲持续时间长（≥300 fs），滤波后能量低，且常缺乏时间相干性。这些技术瓶颈严重制约了超快激光在实际应用中的普及。
GMNA与RDW的巧妙结合
英国赫瑞-瓦特大学和巴斯大学组成的国际研究团队将两种看似独立的技术巧妙结合：增益管理非线性放大（Gain-Managed Nonlinear Amplification, GMNA）和充气空芯光纤中的共振色散波（Resonant Dispersive Wave, RDW）生成。RDW生成是泵浦孤子与线性波在高阶色散存在下的相位匹配结果，能产生持续时间短至几飞秒的脉冲。产生高质量和相干脉冲关键是要避免调制不稳定性，这要求泵浦孤子阶数<16，需要≤50 fs的短泵浦脉冲和适中高能量。因此，RDW生成通常由放大的钛宝石或镱(Yb)激光系统泵浦。虽然钛宝石系统可以产生高能量和短脉冲（亚40 fs），足以直接驱动RDW生成，但放大的Yb激光系统产生更长的脉冲≥200 fs，在RDW生成之前需要额外的时间压缩。GMNA技术本质上是一种过度扩展的自相似非线性放大器，通过增益饱和形成纵向变化的非对称增益分布。当窄带、低能量种子脉冲进入共向泵浦的增益光纤时，光谱展宽与非对称增益动力学相互作用，产生具有近乎完美线性啁啾的宽带光谱，随后可用简单光栅对压缩至接近变换限制持续时间。
四级架构实验系统
研究团队通过将GMNA泵浦源与充气空芯反共振光纤中的RDW发射相结合，展示了一个跨近紫外到近红外可调谐的紧凑高效超快脉冲源，实验装置如图1所示，包括振荡器、预放大级、GMNA级和RDW生成级在内的四级架构。图1 实验设置。LD：半导体激光管；WDM：波分复用器；BBC：双折射合束器；FR： 法拉第旋光器；λ/2、λ/4：波片；PBC：偏振光束立方体；GP：光栅对；HRM：高反射镜；PD：光电二极管；RFD：射频驱动器；ISO：隔离器；FC：光纤准直器；FC-AOM：光纤耦合声光调制器；RM：屋脊棱镜；BPF：带通滤光片；DM：二向色镜振荡器采用基于非线性放大环形镜（Nonlinear Amplified Loop MirrorNonlinear Amplified Loop Mirror, NALM）的全保偏锁模Yb光纤激光器，具有简单、稳定和可靠的锁模特性。工作频率48MHz，产生0.36 nJ、6.7 ps脉冲，可压缩至215 fs。基于Sagnac环的人工可饱和吸收体通过避免物理可饱和吸收体的退化问题，实现了长期稳定运行。预放大级通过光纤耦合声光调制器将重复频率降至4.8 MHz，在10 μm芯径、1.2 m长Yb增益光纤中放大，输出脉冲压缩滤波至2.2 nm带宽、约1 ps持续时间、0.3 nJ能量。GMNA级采用3.1 m长、31 μm模场直径的Yb掺杂大模面积光子晶体光纤。在GMNA机制下，亚皮秒低能量脉冲可放大至数百纳焦，同时保持亚40 fs的短脉冲特性。输出脉冲用1000线/mm光栅对压缩，实现38 fs、520 nJ的高质量脉冲，峰值功率达10 MW。RDW生成级采用35 cm长、36 μm芯径的九谐振器反共振空芯光纤。根据反共振模型，泵浦光谱（1010-1140 nm）和近红外及可见光谱区域（延伸至380 nm）均位于基本引导带内，损耗低于0.3 dB/m，确保高转换效率。
实验结果
GMNA输出特性如图2所示。图2(a)显示了随着输出脉冲能量增加的实验放大器输出光谱。观察到光谱不稳定性之前获得的最大脉冲能量约为520 nJ，在峰值的1/e²处光谱带宽约为122 nm。图2(b)显示了检索的脉冲最大值持续时间为38 fs。超过75%的脉冲能量集中在主脉冲中，峰值功率达到约10 MW，足够短以直接驱动RDW生成。图2 (a) GMNA 输出光谱随输出脉冲能量的增加而演变; (b) 在最大输出能量下检索的压缩 GMNA 的时间分布RDW生成结果如图3所示。通过改变氩气填充压力从20到75 bar来调节RDW的相位匹配条件，从而在约400到700 nm范围内生成的RDW光谱。在更高压力下也实现了超过700 nm的进一步调谐。RDW能量在约540 nm处达到峰值39 nJ，转换效率约为13%。这种高转换效率归因于光纤传输光谱中泵浦脉冲波长和RDW波长之间没有高损耗共振带。图3 (a) 当氩气填充压力在20至75 bar 之间变化时，在 36 μm 纤芯直径的反谐振光纤中产生可调 RDW（左轴），散点（右轴）表示光纤输出端相应 RDW 的能量；(b)–(d)检索到的时间脉冲分布对应于 (b) 520 nm(35 bar)、(c) 576 nm(45 bar)和 (d) 660 nm (65 bar)RDW脉冲压缩：由于在光纤内的进一步传播、输出窗口、准直透镜和空气路径，RDW脉冲在时间上展宽。通过使用850 nm长通滤波器从光谱的其余部分光谱滤波RDW，将RDW发送到一组啁啾镜以补偿在生成点之后获得的正色散。测量 RDW 脉冲和检索的FROG轨迹之间获得了良好的一致性，误差为0.8%，脉冲持续时间为13 fs，超过81%的能量位于主峰内，对应于估计峰值功率2.2 MW，在所有情况下脉冲持续时间都少于20fs。图4 (a) 测得的 RDW 脉冲和 (b)在 40 bar 时产生的 FROG 轨迹；(c) RDW 的测量和 FROG 检索频谱；(d) 检索到的脉冲的时间分布图
总结与展望
该研究展示了使用光纤振荡器和GMNA结合充气空芯光纤中的RDW发射，生成从约400到700 nm以上的可调谐亚20 fs脉冲。实现了短至13 fs的脉冲持续时间，高达39 nJ的能量和高达2.2 MW的峰值功率。实验结果展示在光学性能（持续时间、调谐范围和峰值功率）和简单性（成本和紧凑性）方面优越的性能。虽然当前总结与展难忘演示系统包含自由空间光学元件，但这些组件均可进一步小型化或光纤集成。前两级甚至可用单个强大振荡器替代，或采用Mamyshev振荡器设计进一步简化。同时该研究为扩展到紫外和红外光谱域的可调谐性提供了潜力。通过优化GMNA参数，可实现向400 nm以下的进一步调谐。结合二次谐波生成和拉曼活性气体填充，单一设备有望实现从深紫外到红外的全光谱覆盖。正如论文作者所言，这项工作“突出了GMNA和RDW技术创造适用于实验室环境之外广泛应用的高性能、低成本超快激光源的潜力”。随着技术不断成熟，我们有理由相信，超快激光技术将从高端科研工具转变为普及的工业和医疗设备，从科研到产业，超快激光技术正在重新定义可能性的边界。
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