950 nm高能倍频掺铥光纤啁啾脉冲放大系统

Shutao Xu, Timothy Lim, Ahmet Turnali, and Michelle Y. Sander, High-energy, frequency-doubled thulium-doped fiber chirped-pulse amplification system at 950 nm, Optica 11(4): 519-522 (2024).

近年来，高能掺铥飞秒激光系统在医学、材料加工和生物医学成像方面的应用引起了广泛的研究兴趣。特别是，结合二次谐波产生，在1.9 µm波长附近工作的超快掺铥激光器对双光子显微镜非常有吸引力。与传统的固态双光子显微镜光源（如钛宝石激光器）相比，基于光纤的光源可以通过最大限度地减少自由空间激光对准来实现更紧凑和用户友好。此外，用于双光子显微镜的光纤激光器可以设计为具有多种重复率，特别是1-10 MHz左右。由于在950 nm左右的波长窗口中缺乏任何可用的主流增益光纤，大多数基于光纤的系统依赖于非线性转换过程，如倍频或自相位调制。产生这种超短脉冲的一种方法是在二次谐波产生之前对掺铒光纤激光器进行孤子自频移。然而，基于孤子自频移的双光子显微镜源需要两个阶段的频率转换，这可能会增加整体系统的复杂性。此外，在孤子自频移过程中，脉冲能量和中心波长变得耦合，这可能会限制某些（尤其是较短）波长的功率提升。这种基于孤子自频移的光纤系统在950 nm附近的最高脉冲能量目前为72 nJ。另一方面，倍频超快铥激光器可以在950 nm处进一步实现功率提升，这有利于通过时空复用实现高速、大视场的双光子显微镜。

到目前为止，由于铥的宽增益带宽，掺铥啁啾脉冲放大系统直接产生了1.7-2.0 µm的超短脉冲。然而，由于信号再吸收和有害的大气吸收，在铥增益发射光谱的短波长边缘附近产生高能飞秒源一直是一个挑战。因此，大多数掺铥啁啾脉冲放大系统在1920-1980 nm的波长范围内工作，即使光纤模场直径相当，在不同波长下掺铥的啁啾脉冲放大装置的可用脉冲能量也存在显著差异。目前，尽管证明掺铥飞秒激光器具有大间距光纤棒和较长波长的相干光束组合，可以产生>1 mJ的脉冲，但使用ZBLAN光纤时，掺铥飞秒光纤啁啾脉冲放大系统的最高脉冲能量为1.1 µJ，使用石英光纤时为130 nJ。对于950 nm左右的倍频掺铥啁啾脉冲放大系统，飞秒脉冲的最高脉冲能量为12.9 nJ（重复率为22 MHz）。

所用激光系统示意图，如图1所示。该系统有两个主要部分：一个放大的高能掺铥超快光纤激光器和一个二次谐波发生装置。掺铥啁啾脉冲放大系统由锁模掺铥耗散孤子振荡器、光纤展宽器、三个光纤放大器和自由空间脉冲压缩器组成。在脉冲压缩阶段之前，保持全光纤配置，确保紧凑的系统设计。

单向全光纤环形振荡器包含一个快速轴阻塞隔离器和两个串联偏振控制器，以通过非线性偏振演化实现锁模。结合连接到光纤环行器的可饱和布拉格反射器，在混合锁模方案中支持可靠的自启动。对于400 mW的耦合泵浦功率（波长为1565 nm），全光纤激光腔可以通过25%的输出耦合端口产生平均功率为1.5 mW（脉冲能量为0.16 nJ）的稳定上啁啾耗散孤子脉冲。使用相对较短的铥钬共掺增益光纤段（1.6 m长）（5/125 µm芯/包层直径，𝛽₂=-70 ps²/km），激光器的中心波长为1901 nm，接近掺铥增益光纤发射光谱的短波长边缘。该发射波长进一步得到了可饱和布拉格反射器、光纤组件和可调Lyot滤波器的光谱滤波的支持，Lyot滤波器通过两个腔内偏振控制器优化传输。8.3 m长的正常色散光纤段（𝛽₂=120 ps²/km）与SMF-28e（𝛽₂=-67 ps²/km）的组合导致整体略微正常的净腔色散（0.02 ps²），从而实现了耗散孤子锁模运转。

种子脉冲的光谱，如图2(a)所示，其特征是耗散孤子的陡峭光谱边缘，10-dB光谱带宽为35 nm。图2(b)中的示波迹呈现了一个均匀的脉冲串，往返时间为108 ns，与22.2 m的腔长一致。9.26 MHz的基本重复率的频谱具有70 dB的高信噪比，如图2(c)所示，表明种子脉冲在单脉冲状态下稳定运行，如图2(d)所示。脉冲串和频谱分别由20 GHz数字示波器和射频分析仪以及12.5 GHz InGaAs光电探测器测量。输出脉冲具有高度线性偏振，偏振消光比大于30 dB，适用于种子啁啾脉冲放大系统。

对于展宽器，研究人员使用两种具有正二阶色散值的超高数值孔径光纤（51.5 m的UHNA4；20 m的UHNA7，𝛽2UHNA7=41 ps²/km）将种子脉冲在时间上加宽到94 ps。这两种光纤的三阶色散符号相反，可以在系统输出端产生更好的脉冲形状。由于光纤展宽器中的固有双折射，在拉伸过程中会发生一些偏振退化。为了补偿非保偏拉伸光纤中的偏振退化，拉伸脉冲由两个串联偏振控制器和一个光纤偏振分束器转换回线性偏振。由于超高数值孔径光纤中的固有传播损耗、拼接损耗和去极化损耗，展宽器输出端的平均功率降至0.9 mW。

因此，研究人员使用两级级联的单模前置放大器将平均脉冲功率首先增加到12 mW，在第二前置放大器中增加到210 mW（在1565 nm处分别具有400 mW和1.6 W的耦合泵浦功率），从而使功率放大器饱和。第一前置放大器在反向泵浦方案中包括1.6 m长的TH512增益光纤段，而第二前置放大器在正向泵浦方案中由高掺铥光纤（13.5 cm）组成。通过这种设计，通过减少第二放大器级中的增益光纤及其后续无源光纤长度，可以最大限度地减少前置放大期间的任何非线性相移累积。如图3(b)中的绿色曲线所示，预放大脉冲的光谱没有任何非线性光谱失真，其10-dB光谱带宽为35 nm，与种子相同。实现了有利于较短波长的轻微光谱幅度整形效应，以平衡功率放大器中的增益滤波效应。

偏振控制器用于将光偏振对准偏振相关隔离器的透射轴，以将线性偏振光引入功率放大器。功率放大器由一个后向泵浦段（120厘米）的保偏双包层大模面积掺铥光纤组成，其芯径较大，为25 µm。将两个793 nm连续波泵浦二极管光纤拼接到保偏(2+1)×1泵浦组合器上，以提供52 W的最大耦合泵浦功率。在大模面积掺铥光纤之前，使用保偏包层泵浦剥离器来去除任何残留的泵浦功率并保护前面的光纤组件。将相对较短长度的大模面积增益光纤与反向泵浦方案相结合，最适合在1.9 µm波长附近进行信号放大，并在较短波长下减少信号再吸收（这在正向泵浦方案中可能更为突出）。增益光纤以及增益和无源光纤之间的拼接点的被动强制空气冷却可防止过度热量积聚，提高放大器效率。光纤系统输出经过角度抛光（8°），以避免空气-玻璃界面处的背反射。

为了提高放大脉冲的光束质量，保偏模场适配器确保在大模面积增益光纤之前仅激发基模。为了抑制增益光纤中高阶模（大模面积光纤已知特别支持LP11和LP02模）的激发，研究人员通过使用短弧时间优化了保偏大模面积无源和有源光纤之间的拼接，以减少光纤折射率分布的任何失真。此外，增益光纤被包裹成直径为10 cm的圆形，以对高阶模产生更强的弯曲诱导损耗。

保偏大模面积放大器将平均功率提高到6.5 W，对应于703 nJ的脉冲能量。在图3(a)中，显示了大模面积放大器的输出功率与耦合的793 nm泵浦功率的关系。功率放大器的斜率效率为17.6%，受短增益光纤的限制。考虑到793 nm包层泵浦吸收率为4.8 dB/m，大模面积增益光纤中的有效斜率效率为24.1%（占总泵浦功率的73%）。比较系统不同阶段的光谱，如图3(b)所示，由于种子光谱形状和不同放大阶段的增益滤波效应之间的平衡，大模面积系统输出在1891-1930 nm的波长范围内具有最平坦的光谱轮廓。大模面积系统输出的光谱调制可能由于大气吸收和基模与弱残余高阶模之间的干扰造成，但它对时间脉冲质量的影响可以忽略不计。光纤展宽器、前置放大器和功率放大器的B积分分别估计为0.21、0.04和0.59，整体系统值为0.84。

放大的脉冲在穿过半波片后，在自由空间中被压缩，在双通Treacy配置中有一对反射光栅（750 l/mm），理论单程效率为90%。达到63%的总压缩效率，导致平均压缩功率为3.7 W，对应于394 nJ的脉冲能量。用商用强度自相关器测量，如图3(c)所示，压缩脉冲的脉冲持续时间为490 fs。根据高斯拟合下的面积与自相关迹之间的比值，估计约89%的脉冲能量位于主峰。

在二次谐波产生阶段，压缩的1.9 µm脉冲被聚焦到扇出的周期性极化铌酸锂晶体中。晶体厚度选择为1 mm，使得周期性极化铌酸锂的光谱接受带宽与信号光谱宽度很好地匹配且可以实现高转换效率。为了最大限度地提高二次谐波产生效率，对晶体的聚焦进行了优化（50 mm的焦距，焦点处的束腰为30 µm）。对于28.4 µm的极化周期和38°C的温度，实现了最佳的准相位匹配。第二个透镜L2（15 mm）用于校准晶体后的倍频输出。然后，光穿过长通滤波器F1（700 nm截止）和短通滤波器F2（1600 nm截止），以分别消除寄生高次谐波和残留基波。

如图4(a)所示，倍频脉冲的最大脉冲能量为138 nJ，转换效率为35%。在插图中，通过光束轮廓仪测量，在二次谐波产生后呈现了一个定义良好的高斯光束。符合ISO标准的𝑀2测量进一步证实了倍频脉冲的高光束质量。空间输出模式接近衍射极限，在其最大功率下，𝑀²𝑋=1.25和𝑀²Y=1.17。倍频脉冲的光谱以954 nm为中心，10-dB光谱宽度为5 nm[图4（b）]。在图4(c)中，通过测量倍频脉冲的自相关迹，证实了二次谐波产生后脉冲持续时间缩短到390 fs。

总之，研究人员提出了一种1.9 µm掺铥啁啾脉冲放大光纤激光器系统，该系统能够基于线性偏振耗散孤子种子源产生高达394 nJ的压缩脉冲，重复率为9.26 MHz，脉冲持续时间为490 fs。为了在所需波长进行高效放大，将放大器的独特设计与光谱滤波相结合。在周期性极化铌酸锂晶体中倍频后，该系统可以提供138 nJ脉冲，脉冲持续时间为390 fs，中心波长为954 nm，空间光束质量接近衍射极限。对于波长较长的不同振荡器输入种子，相同掺铥光纤的更高增益可以产生更高的脉冲能量。目前，系统性能由大模面积放大级的最大可用泵浦功率决定（而不是任何过度的非线性累积），因此，可以进一步进行功率提升。总体而言，所实现的光源标志着一种紧凑型光纤激光系统，用于1.9 µm的高能脉冲，可用于广泛的应用，包括材料加工和生物医学手术，例如泌尿科。倍频输出的高脉冲能量与兆赫重复率相结合，使该激光器成为双光子显微镜和任何多路成像系统的有力候选者。