可见光飞秒光纤振荡器及放大器 | Adv. Photon. Nexus

超快激光的出现被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一，极大地推动了军事、工业、能源、生命科学等领域的突破性变革。在已开发的各种激光平台中，光纤激光振荡器及放大器以其紧凑的设计、优异的性能和低成本高效益而备受推崇，成为产生高性能飞秒激光脉冲的主流技术之一。然而，它们的工作波长主要局限在0.9~3.5 μm的红外光谱区域，在可见光波段飞秒光纤激光器仍未取得重要突破，因此将飞秒光纤振荡器及放大器拓展到可见光新波段，一直是激光科学领域中具有重要意义和挑战性的问题。

目前，光纤激光器直接产生可见光主要利用掺稀土氟化物光纤（如Pr³⁺、Ho³⁺、Dy³⁺、Er³⁺）作为高效增益介质。近年来，在实现波长可调谐、高功率、调Q或锁模运转的可见掺稀土氟化物光纤激光器方面已取得一系列重要进展。而锁模飞秒光纤激光器尽管在近红外波段已经取得成功，但在可见光光纤激光器中仍非常具有挑战性，目前仅有一个腔外压缩实现红光飞秒光纤激光的研究工作报道。这主要归为如下原因：1）可见光波段的光纤器件不成熟；2）适用于可见光波段的高性能超快光调制技术匮乏；3）可见光波段光纤激光谐振腔具有超大正色散值，建立稳定锁模的难度急剧增加。

近年来，采用相位偏置非线性放大环境（PB-NALM）的近红外锁模飞秒光纤振荡器得到了广泛关注。这些激光振荡器采用相位偏置机制，通常通过移相器实现，以摆脱腔内长光纤的非线性相移积累。这种创新的方法通常不仅有助于提高锁模重频，增强调谐灵活性和长寿命运行，而且还提供了在更大的参数空间内从正常到反常色散状态下管理总腔色散的机会，有望在可见光直接飞秒锁模光纤激光方面取得突破，从而将光纤飞秒孤子脉冲推向可见光波段。

近日，厦门大学福建省超快激光技术及应用重点实验室的科研人员巧妙地采用色散管理相位偏置非线性放大环境锁模技术，实现了可见光波段的飞秒光纤激光振荡器，可直接输出中心波长为635.5 nm的红光飞秒激光，并通过构建可见光啁啾脉冲放大系统进一步将红光飞秒激光功率提升至瓦级。相关成果以“635 nm femtosecond fiber laser oscillator and amplifier”为题，Advanced Photonics Nexus 2024年第2期。

该研究团队利用443 nm LD泵浦双包层掺Pr³⁺氟化光纤产生高效红光增益，PB-NALM实现被动锁模，并设计了一对高效的红光衍射光栅进行腔内色散管理，成功实现了自启动的高性能红光飞秒光纤激光振荡器。获得锁模激光的中心波长为635.5 nm，光谱带宽为4.1 nm，脉宽为199 fs，RF信噪比为78.7 dB（见图2）。

图2 红光飞秒光纤振荡器输出特性。（a）连续光和锁模光谱；（b）脉冲序列；（c）自相关迹；（d）基频频谱（插图：3 GHz范围频谱）

为了进一步提高红光飞秒光纤振荡器的性能以满足更广泛应用的需求，研究团队首次构建了可见光波段的啁啾脉冲放大（CPA）系统，将红光飞秒激光平均功率提高到1 W以上，同时保持压缩后脉宽为230 fs（图3）。

图3 红光飞秒啁啾脉冲放大性能。（a）放大光谱演变；（b）不同泵浦功率下的放大功率和脉冲能量；（c）放大前后的脉宽

该工作为可见光波段高性能飞秒光纤激光的产生提供了一种可行的方案。这将为可见光飞秒光纤激光器在特殊材料加工、生物医学、水下通信探测、光学原子钟等领域的应用提供机会。

厦门大学电子科学与技术学院博士后邹金海、博士生阮秋君为论文共同第一作者，罗正钱教授为通讯作者。该工作得到了国家优秀青年科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、深圳市科技计划等项目的支持。