由纖芯充滿氣體的光子晶體光纖構(gòu)成的微池集成激光器，可以提高相互作用長度，減小模場面積，同時實現(xiàn)波長可調(diào)的激光輸出。

作者：Fetah Benabid，Francois Couny，Ying Ying Wang

盡管在過去的幾十年中，激光技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，市場上出現(xiàn)了多種不同類型的激光器，但是現(xiàn)有的激光器仍然無法滿足一些應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需求。目前，商用激光器所覆蓋的光譜范圍非常有限，尚不能覆蓋整個近紫外和可見光波段（300～700nm）。近紫外和可見光波段在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用，如流式細(xì)胞儀檢測單個細(xì)胞、DNA測序、法醫(yī)檢測指紋、在犯罪現(xiàn)場檢測微量元素、檢測病原體或生物毒素等。

這些應(yīng)用需要特定的激光波長（例如黃光），而這些波長是現(xiàn)有的激光器很難實現(xiàn)的。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的某些應(yīng)用還要求輸出激光的線寬較窄，輸出功率范圍較大，同時輸出時域波形可控。另外，因為生物學(xué)家通常并不是激光專家，所以激光器的設(shè)計必須要簡單，便于生物學(xué)家使用。生物光子學(xué)應(yīng)用中存在的這些情形，對新興的激光技術(shù)提出了嚴(yán)格要求。

目前應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的激光器通常采用笨重的自由空間儀器獲得單波長輸出，有時激光輸出波長不可以調(diào)諧。如果一項生物光子學(xué)應(yīng)用需要多種波長的話，則需要使用多個激光器。

最近涌現(xiàn)出來的一項解決方案是采用超連續(xù)光纖光源。盡管超連續(xù)光纖光源能提供較寬的頻譜范圍，但是其功率譜密度較低，光譜分辨率較差。僅僅是為了改善光譜分辨率這一項，超連續(xù)光源就需要采用笨重復(fù)雜的單色儀和光譜過濾器。此外，超連續(xù)光源的輸出波長帶寬并不能覆蓋紫外光譜范圍，即使采用為紫外輸出量身定做的光纖和強(qiáng)大的泵浦源，其獲得的最短輸出波長也大于300nm。

因此，激光終端用戶通常不得不調(diào)整應(yīng)用范圍，以適應(yīng)可用的激光波長。如果能夠發(fā)明覆蓋整個光譜范圍的激光器，而這些激光器同時兼具結(jié)構(gòu)緊湊以及現(xiàn)有商用激光器的其他功能，這將會為整個激光市場和應(yīng)用領(lǐng)域帶來徹底的改變。

強(qiáng)非線性

纖芯充滿氣體的空心光子晶體光纖（HC-PCF）和以集成形式出現(xiàn)的光子微池（PMC），很有可能改變整個激光市場。在PMC中，充氣的HC-PCF密封拼接到傳統(tǒng)的固體光纖上。PMC結(jié)合了光纖技術(shù)和氣相材料的獨(dú)特性能。HC-PCF和PMC將氣體和光同時限制在模場面積為平方微米的尺寸上，整個作用長度是自由空間作用長度的100萬倍。

在低泵浦光功率下，纖芯充滿氣體的HC-PCF中可以產(chǎn)生受激拉曼散射（SRS）、電磁感應(yīng)透明（EIT）以及飽和吸收等強(qiáng)非線性效應(yīng)。當(dāng)纖芯充滿拉曼有源氣體（如H₂）時，PMC可以通過SRS非線性效應(yīng)實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生振動SRS的閾值能量只有800nJ。^[1]

采用超低損耗的光子能帶隙（PBG）HC-PCF，可以進(jìn)一步降低SRS的閾值。一段長度為35m、中心波長為1064nm、傳輸損耗為70dB/km的填充H₂的光子帶隙光纖，當(dāng)泵浦功率達(dá)到4 W時就可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動SRS，同時還可以觀察到接近量子極限的斯托克斯（Stokes）激光輸出。

此外，研究人員在一個全光纖系統(tǒng)中只用幾百毫瓦的泵浦功率，就實現(xiàn)了連續(xù)（CW）激光泵浦斯托克斯激光輸出。^[2]由于HC-PCF具有很長的相互作用長度，SRS的放大頻域明顯發(fā)生改變。當(dāng)泵浦功率較低、脈沖較長（是拉曼退相時間的幾倍）時，瞬態(tài)SRS就可以獲得放大。采用輸出脈沖寬度為12ns的調(diào)Q單頻低重復(fù)頻率Nd：YAG激光器（見圖1），就可以產(chǎn)生multi-octave coherent 多倍頻相干SRS光梳。

圖1：兩類HC-PCF中的受激拉曼散射的不同頻率轉(zhuǎn)換范圍。光子帶隙（PBG） HC-PCF（左上圖）和Kagome HC-PCF（左下圖）具有不同的幾何形狀。（右上圖）連續(xù)光纖激光器泵浦填充H₂的PBG HC–PCF，當(dāng)泵浦功率在閾值以下時，沒有斯托克斯激光輸出，當(dāng)泵浦功率在閾值以上時，泵浦光轉(zhuǎn)換為斯托克斯激光輸出。（右下圖）填充H₂的PBG HC-PCF激光器的輸出光譜由多條相干SRS譜線組成。

 緊湊易用

氣相材料目前已經(jīng)成為新一代激光器的有力競爭者。在PMC中填充適當(dāng)?shù)睦�曼活性氣體的激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）泵浦激光源可以充分利用現(xiàn)有的Nd：YAG激光器和摻鉺光纖激光器，從而獲得與現(xiàn)有激光器相同的性能。（2）輸出波長可以覆蓋整個光譜范圍。（3）整個激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于使用。（4）采用光纖形式，可以與現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)組件集成，與光通信組件和光纖激光器融合。

一個緊湊、輕便、電池供電的纖芯充滿拉曼氣體的HC-PCF 激光器，可以產(chǎn)生覆蓋整個紫外和可見波段的光譜線。^[5]整個激光器由數(shù)米長的PMC組成，PMC中充滿壓力為10Pa的H₂，泵浦激光器為緊湊的二極管泵浦的固體微芯片激光器，其重復(fù)頻率為7kHz，波長為532nm，平均輸出功率為20mW，峰值功率為4kW。該系統(tǒng)的設(shè)計專門針對生命科學(xué)與法醫(yī)科學(xué)領(lǐng)域的特殊應(yīng)用要求，例如利用特定的激光波長（往往是相有激光器不能實現(xiàn)的）進(jìn)行地面診斷、數(shù)據(jù)收集和激光發(fā)射等，并且對可攜性具有較高的要求（見圖2）。

在要求高功率密度、窄頻譜分量和紫外波長輸出的應(yīng)用場合，以PMC為基礎(chǔ)的激光器可以取代傳統(tǒng)的超連續(xù)光源。研究表明，該激光器的遠(yuǎn)場和近場輸出的拉曼分量在空間都是單模的。在該激光器的輸出光譜線中，線寬最大為100MHz，其中可見光分量的平均光譜密度為2.4W/GHz，紫外分量的平均光譜密度為0.7W/GHz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超連續(xù)光源的光譜密度。

為了評估PMC技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用價值，英國工程和物理科學(xué)研究理事會（EPRSC）已經(jīng)為生產(chǎn)該系統(tǒng)準(zhǔn)備好了可投產(chǎn)使用的物理封裝。

Alexa Fluor的17個代表性染料的吸收光譜目前被廣泛應(yīng)用于DNA測序熒光染料檢測應(yīng)用中，以PMC為基礎(chǔ)的激光器可以獲得生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需要的這些波長（見圖3）。^[5]這些吸收譜線幾乎與由以PMC為基礎(chǔ)的激光器產(chǎn)生的激光譜線重疊。利用可調(diào)諧泵浦激光器，采用不同的拉曼氣體，或者精確地改變空心光纖的光學(xué)傳輸特性，都可以提高該激光器的輸出頻率范圍。將現(xiàn)有泵浦激光器的可移植性和PMC的緊湊性相結(jié)合，能使該激光系統(tǒng)實現(xiàn)小巧緊湊的封裝體積，從而進(jìn)一步減少維修或校準(zhǔn)操作。

圖3：單個激光源與染料生物標(biāo)志物Alexa Fluor系列的吸收波長匹配。

 參考文獻(xiàn)

1. F. Benabid et al., Science 298, pp. 399–402 (2002).
2. F. Couny et al., Phys. Rev. Lett. 99, pp. 143903–143904 (2007).
3. F. Couny et al., Science 318 (2007).
4. Y.Y. Wang et al., "Compact and Portable Multiline UV & Visible Raman Laser in Hydrogen-filled HC-PCF," in ECOC (Vienna, Austria, 2009), postdeadline paper.