揭开可见飞秒光纤振荡器的神秘面纱： 激光科学的进步

超快激光脉冲产生技术的出现标志着激光科学的一个重要里程碑，它在工业应用、能源技术、生命科学等众多学科领域都取得了令人难以置信的进展。在已开发的各种激光平台中，光纤飞秒振荡器以其紧凑的设计、出色的性能和成本效益而备受推崇，已成为飞秒脉冲发生的主流技术之一。

然而，它们的工作波长主要局限于 0.9-3.5 μm 的红外区域，这反过来又限制了它们在需要可见光波长（390-780 nm）光源的众多应用中的适用性。长期以来，将紧凑型飞秒光纤振荡器扩展到新的可见光波长一直是激光科学领域极具挑战性但又孜孜不倦追求的目标。

目前，大多数可见光光纤激光器使用掺稀土的氟化物光纤（如 Pr3+）作为有效增益介质。多年来，在开发波长可调、高功率、Q 值开关和模式锁定可见光光纤激光器方面取得了显著进展。

然而，尽管在近红外区域取得了重大进展，在可见光光纤激光器中实现飞秒锁模仍然是一项极具挑战性的任务。造成这一挑战的原因是可见光波长的超快光学元件开发不足、高性能可见光调制器的可用性有限，以及可见光光纤激光器腔体中存在极正常的色散。

最近，人们开始关注使用相位偏置非线性放大环镜（PB-NALM）的近红外飞秒锁模光纤振荡器。PB-NALM 无需使用长腔内光纤来累积相移。

可见飞秒光纤振荡器和放大器示意图。

这一创新不仅提高了调谐灵活性和长寿命运行，还提供了在更大的参数空间（从正常色散到异常色散状态）管理腔内色散的机会。因此，预计它将在可见光光纤激光器的直接飞秒锁模方面取得突破，并推动光纤飞秒振荡器进入可见光波段。

该光纤飞秒振荡器采用九字形腔配置，可在 635 纳米波长处发射红光。它采用双包层掺杂Pr3+的氟化物光纤作为可见光增益介质，包含一个用于锁模的可见光波长PB-NALM，并利用一对定制的高效率和高沟槽密度衍射光栅进行色散管理。PB-NALM 建立的可见光自启动模式锁定可直接产生红色激光脉冲，脉冲持续时间为 199 fs，振荡器的重复频率为 53.957 MHz。

对光栅对间距的精确控制可将脉冲状态从耗散或拉伸脉冲孤子转换为传统孤子。此外，与振荡器一起构建的啁啾脉冲放大系统极大地提升了激光器的性能，使其平均输出功率超过1 W，脉冲能量为19.55 nJ，去啁啾脉冲持续时间为230 fs。

厦门大学电子工程系主任罗正谦教授说："我们的成果代表着向覆盖可见光谱区的高功率飞秒光纤激光器迈出了坚实的一步，可能会在工业加工、生物医学和科学研究中得到重要应用。

作者预计，他们的高性能可见光飞秒光纤激光器生成新方案将为可见光飞秒光纤激光器在特殊材料精密加工、生物医学、水下探测和光学原子钟等领域的应用奠定基础。

相关链接：https://phys.org/news/2024-03-visible-femtosecond-fiber-oscillators-advance.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.APN.3.2.026004