脈沖寬度不足一直被認(rèn)為是高功率飛秒光纖激光器與固體激光器相競(jìng)爭(zhēng)的一大障礙。然而幸運(yùn)的是，脈沖和光譜整形技術(shù)幫助飛秒激光器突破了這一障礙。

作者：劉健，PolarOnyx創(chuàng)始人； 楊麗梅，PolarOnyx產(chǎn)品總監(jiān)

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)100fs的脈沖寬度一直被認(rèn)為是高功率飛秒光纖激光器與固體激光器（如頻率80MHz、功率1W的鈦藍(lán)寶石激光器）相競(jìng)爭(zhēng)的一大障礙，因?yàn)楹芏喑�快激光�?yīng)用，如非線性成像、組織消融以及相干超連續(xù)光譜產(chǎn)生等，都要求脈寬達(dá)到100fs級(jí)的水平。在過去的幾年中，高功率飛秒光纖激光器已經(jīng)在工業(yè)和科研領(lǐng)域得到了廣泛重視。盡管已經(jīng)有報(bào)道稱，很多飛秒光纖激光器的平均功率已經(jīng)高達(dá)200W，但實(shí)現(xiàn)100fs的脈寬依然是超快光纖激光器領(lǐng)域的一大技術(shù)壁壘。

在2010年舊金山召開的Photonics West 2010展會(huì)上，PolarOnyx公司推出的飛秒光纖激光器采用創(chuàng)新的技術(shù)，打破了高功率飛秒光纖激光器實(shí)現(xiàn)100fs脈寬的技術(shù)瓶頸。PolarOnyx公司利用其專有的脈沖整形和光譜整形技術(shù)，將高功率飛秒光纖激光器的脈寬壓縮到了100fs。顯然，如此顯著的脈寬提升（從200fs壓縮到100fs）為飛秒光纖激光器開辟了更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并將有望在諸多應(yīng)用中對(duì)固體激光器形成巨大沖擊。當(dāng)然，光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊、免維護(hù)以及具有較高的成本效益等優(yōu)勢(shì)（見表1），已經(jīng)眾所周知。目前，飛秒光纖激光器已經(jīng)成了許多工業(yè)和臨床應(yīng)用的最佳選擇。

表1：飛秒光纖激光器與飛秒固體激光器的比較

脈寬壓縮

對(duì)飛秒光纖激光器來講，縮短脈寬所面臨的挑戰(zhàn)是對(duì)色散、非線性和增益窄化的管理。相較于固體激光器，由于光纖和增益介質(zhì)相對(duì)較長(zhǎng)，因此光纖激光器中存在著嚴(yán)重的非線性和增益窄化效應(yīng)。這些都將影響脈沖形狀和光譜帶寬，并且對(duì)于1W運(yùn)作來講，很難將脈寬壓縮到200fs。此外，光纖和飛秒光纖激光器中使用的光柵壓縮器之間的高階色散（HOD）的不匹配，致使取消或補(bǔ)償非線性和增益窄化效應(yīng)更加困難。

為了解決這些問題，康奈爾大學(xué)的研究人員研究了一個(gè)高功率鎖模光纖激光器諧振腔，該諧振腔沿著包層泵浦采用了耗散孤子脈沖整形，以實(shí)現(xiàn)更高的平均功率。^[1]通過適當(dāng)?shù)剡x擇光濾波器帶寬，調(diào)節(jié)偏振，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模。該光纖激光器產(chǎn)生31nJ的啁啾脈沖，重復(fù)頻率為70MHz，平均功率為2.2W。在對(duì)外部激光器進(jìn)行脈沖壓縮（dechirping）后，可以獲得15nJ、80fs的脈寬，峰值功率高達(dá)200kW（見圖1）。

圖1：具有振蕩器配置的高功率飛秒光纖激光器，能將脈寬壓縮到100fs的水平（上圖），并且具有優(yōu)異的光束質(zhì)量（下圖）。

這種方法是飛秒光纖激光器研究中的一項(xiàng)突破，其克服了脈寬瓶頸問題。通過適當(dāng)?shù)乜刂颇芰總鞑ィ?/span>energy propagation）和濾波效應(yīng)（filtering effect），能夠大大降低高階色散和增益窄化效應(yīng)。然而，由于操作的復(fù)雜性和需要自由空間元件，要開發(fā)出一款能實(shí)用的產(chǎn)品尚且需要巨大努力。

目前，一種主振功率放大器（MOPA）設(shè)計(jì)已經(jīng)被證明是實(shí)現(xiàn)飛秒光纖激光器的可靠方法，目前這種方法已經(jīng)在PolarOnyx公司的產(chǎn)品中采用。PolarOnyx采用MOPA式設(shè)計(jì)的飛秒光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)30～100MHz的重復(fù)頻率、100fs的脈寬和大于1W的壓縮輸出功率（見圖2）。通過使用偏振、脈沖和光譜整形技術(shù)來設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)墓饫w激光振蕩器和放大器，脈沖的產(chǎn)生和放大可以對(duì)色散、非線性失真和增益窄化有一個(gè)良好的平衡。^[2]

圖2：具有主振蕩器功率放大器配置的高功率飛秒光纖激光器的簡(jiǎn)化圖（上圖），下圖是可商用的產(chǎn)品。

一項(xiàng)關(guān)鍵的脈沖整形技術(shù)是控制光纖的三階色散（TOD）。通常，光纖中的色散是通過材料色散和波導(dǎo)色散這兩方面來控制的。在1020～1090nm的光譜區(qū)域中，材料色散顯示了正的色散斜率。傳統(tǒng)的光纖，如康寧公司的SMF-28，TOD的值始終是一個(gè)約為0.3ps/nm²-km的正值，這與所使用的光柵壓縮器的TOD不匹配。然而，通過操控光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以引入波導(dǎo)色散來調(diào)整材料色散，這樣的整個(gè)光纖系統(tǒng)的TOD和色散斜率就能實(shí)現(xiàn)匹配了，特別是與光柵壓縮器的匹配。

另一個(gè)用于脈寬壓縮的關(guān)鍵的光譜整形技術(shù)是通過充分利用自相位調(diào)制（SPM）來獲得足夠的脈沖光譜寬度。SPM在放大之后進(jìn)行，這樣展寬的光譜就不會(huì)受到放大器增益窄化的限制。在放大階段使用的光纖長(zhǎng)度應(yīng)該適當(dāng)，以產(chǎn)生所需要的光譜帶寬。當(dāng)脈沖的峰值功率達(dá)到一定水平時(shí)，SPM效應(yīng)可引起光譜展寬。根據(jù)不同的脈沖能量水平和脈沖寬度（即定義了峰值功率），光譜展寬的效果可以通過選擇合適的光纖長(zhǎng)度和光纖類型來優(yōu)化。而且，適當(dāng)?shù)目刂?/span>SPM，可以平衡光纖和光柵壓縮器之間的TOD不匹配。

這些技術(shù)解決了功率范圍和脈寬展寬之間的折中問題，放大的光譜帶寬可以支持無明顯剩余TOD和增益窄化效應(yīng)的100fs的脈寬。假設(shè)變換有限脈沖質(zhì)量，100fs的脈沖是由一個(gè)15nm的光譜帶寬支持的。

PolarOnyx公司1W、100fs的光纖激光器的脈沖性能指標(biāo)為：重復(fù)頻率33MHz，壓縮脈沖能量30nJ，平均功率1.4W。當(dāng)工作波長(zhǎng)位于1035nm附近時(shí)，實(shí)際測(cè)得的脈沖寬度為90fs（高斯形狀假設(shè)）（見圖3）。它有一個(gè)緊湊型的集成壓縮器，以確保光纖激光器能方便、可靠地運(yùn)行。對(duì)于200fs的脈寬，已經(jīng)獲得了高達(dá)5W的壓縮輸出功率，進(jìn)一步優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)100fs的脈寬。而且，通過增加光參量振蕩器（OP）作為補(bǔ)充，其波長(zhǎng)可以覆蓋從可見光到中紅外光，從而使飛秒光纖激光器的能力得以進(jìn)一步拓展。

圖3：1W飛秒光纖激光器的光學(xué)光譜（左）和脈沖寬度（右）。

應(yīng)用

飛秒光纖激光器在價(jià)格、可靠性和維護(hù)方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)，其正在臨床應(yīng)用中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。^[3]

最近，人們將正在將超快激光器的飛秒脈沖耦合到雙包層光子晶體光纖（PCF）或空心光子帶隙光纖（PBFs）中，為活體成像和臨床應(yīng)用努力開發(fā)緊湊的多光子系統(tǒng)。光纖連接的微型掃描探針，已經(jīng)能夠靈活地訪問組織，以獲得多光子顯微鏡（MPM）的圖像。雖然探針變得越來越小，但是它們使用的光源通常是傳統(tǒng)的固體鈦藍(lán)寶石激光器，而這類激光器通常體積較大、價(jià)格昂貴、不便于攜帶，并且需要精確的準(zhǔn)直。尋找新型的低成本、緊湊、便攜式超快激光源，將有望增強(qiáng)MPM在研究領(lǐng)域，特別是在臨床研究中的應(yīng)用。

亞細(xì)胞激光消融（SLA）已經(jīng)成為細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的承載骨架分子力學(xué)性能測(cè)試的有力工具。在亞細(xì)胞激光消融中，脈沖持續(xù)時(shí)間為100fs的高能量激光脈沖，通過一個(gè)高數(shù)值孔徑的物鏡，聚焦到一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的目標(biāo)上，如細(xì)胞器或一個(gè)骨架元素。實(shí)驗(yàn)證明，使用超短脈沖，處于激光焦點(diǎn)上的物質(zhì)，經(jīng)過非線性多光子吸收形成光分解和物質(zhì)破壞，而對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的熱傳遞或間接損壞程度最低。這些超快系統(tǒng)能夠破壞一個(gè)活體細(xì)胞中的單個(gè)線粒體，而不破壞周圍組織。

然而盡管取得了上述進(jìn)展，未來飛秒激光器要想在走出研究階段而在生物設(shè)備、醫(yī)療診所、生產(chǎn)環(huán)境甚至是在移動(dòng)設(shè)備中獲得更廣泛的應(yīng)用，那么仍然需要結(jié)構(gòu)緊湊、光纖傳輸、用戶友好、價(jià)格便宜的產(chǎn)品。未來，飛秒光纖激光器將在多種科研領(lǐng)域中獲得大量應(yīng)用，特別是如果其成本能夠下降的話。目前，價(jià)格約為15萬(wàn)美元的鈦藍(lán)寶石激光器，已經(jīng)讓許多研究與應(yīng)用用戶感到有些昂貴，希望未來飛秒光纖激光器能為用戶提供一種更加經(jīng)濟(jì)的選擇。

參考文獻(xiàn)

1、K. Kieu et al., Opt. Lett. 34, 5, p. 593–595 (2009).

2、美國(guó)專利：7430224，7440173，7555022，7477666，7593434，7529278，7526003，7430226。

3、S. Tang et al., J. Biomedical Opt. 14, 3, p. 1–3 (2009).

4、N. Shen et al., Mechanics and Chemistry of Biosystems 2, p. 17–25 (2005).