文/Subhash Singh，Nick Reilly，Chunlei Guo

光纖激光器使用稀土摻雜光纖作為激活介質(zhì)，用激光二極管作泵浦源，本身固有一些關(guān)鍵優(yōu)勢，使它們在通過鎖模產(chǎn)生超短脈沖方面頗具吸引力。摻雜光纖的高增益帶寬和效率，允許制造相對便宜、緊湊、堅(jiān)固的光纖激光器系統(tǒng)，這些系統(tǒng)提供適合廣泛應(yīng)用的光纖耦合輸出光束。

飛秒架構(gòu)

光纖提供較高的表面積-體積比，從而可實(shí)現(xiàn)有效的冷卻，并且可以根據(jù)特定性能參數(shù)進(jìn)行定制。光纖激光器最初僅限于連續(xù)波（CW）、低功率、單模運(yùn)行；經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，現(xiàn)在光纖激光器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)單模和多模運(yùn)行，波長范圍覆蓋紫外（UV）到遠(yuǎn)紅外（far-IR）波段，并且能提供非常高的功率水平、可變的重復(fù)頻率，以及（也許的最顯著的）毫秒到飛秒級的脈寬。

不同于傳統(tǒng)的自由空間激光器，光纖激光器采用光纖和光纖布拉格光柵（FBG），后者取代了常規(guī)的介質(zhì)反射鏡，用于光學(xué)反饋。大多數(shù)高功率光纖激光器采用雙包層光纖架構(gòu)，其中增益介質(zhì)在光纖的纖芯，由兩層包層包圍。來自激光二極管或另一個(gè)光纖激光器的多模泵浦光束，在內(nèi)包層中傳播并受到外包層的約束，激發(fā)激活介質(zhì)，并產(chǎn)生在光纖纖芯中傳播的激射模式。

為了產(chǎn)生超快激光脈沖，需要采用主動或被動鎖模技術(shù)。今天用于被動鎖模的一些技術(shù)，包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)和飽和吸收技術(shù)，而電光或聲光調(diào)制器用于主動鎖模。^[1]

在半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）中，半導(dǎo)體量子阱生長在半導(dǎo)體分布式布拉格反射器上，SESAM已成功地用于制造工作在1.0μm和1.5μm波長處的飛秒光纖激光器。通過采用石墨烯可飽和吸收體的摻鉺（Er）光纖激光器，已經(jīng)展示了自啟動鎖模和穩(wěn)定的孤子脈沖產(chǎn)生。這些只是商業(yè)激光器制造商正在采用的幾種飛秒光纖激光器架構(gòu)，以滿足各種科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用。

非線性鎖模

對于可重復(fù)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，德國Menlo Systems公司的“figure 9”技術(shù)采用行之有效的非線性光學(xué)環(huán)鏡（NOLM）鎖模機(jī)制。振蕩器和放大器均只使用保偏光纖組件，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和低噪聲，運(yùn)行免維護(hù)。

Menlo的摻鉺光纖激光器在中心波長1560nm和780nm處具有寬帶增益，提供標(biāo)準(zhǔn)和高功率型號，在50~250MHz的重復(fù)頻率范圍內(nèi)，具有<90fs的脈寬。Menlo的摻鐿（Yb）Orange飛秒光纖激光器，工作在1040nm和520nm波長處，平均功率>10W，并提供<150fs的脈寬。作為一家光學(xué)頻率梳開發(fā)商，Menlo的所有激光器系統(tǒng)均能夠以高精度同步。這些系統(tǒng)廣泛用于光譜學(xué)、顯微、計(jì)量、引力觀測和材料加工領(lǐng)域。^[2,3]

BlueCut包含一個(gè)振蕩器、一個(gè)配備脈沖拾取單元的放大器，以及用于高能量短脈沖的壓縮器，是Menlo的工業(yè)級微焦耳光纖激光器系統(tǒng)�；�于全光纖集成技術(shù)，該系統(tǒng)堅(jiān)固、穩(wěn)定，可用于微加工應(yīng)用（見圖1）。

光纖CPA

基于其光纖啁啾脈沖放大（FCPA）技術(shù)，美國IMRA America公司的FCPA μJewel系列，由具有足夠脈沖能量的摻鐿光纖激光器組成，甚至在1045nm波長處（見圖2）。^[4]FCPA架構(gòu)允許用戶在兩種模式下進(jìn)行選擇：100kHz或200kHz的重復(fù)頻率、高達(dá)50μJ的高能量模式；以及1MHz下10W和20W的高平均功率模式。該選擇允許用戶根據(jù)應(yīng)用需求，以更快的速率進(jìn)行材料加工。

IMRA的拉曼頻移技術(shù)，讓摻鉺拉曼頻移飛秒光纖激光器在810nm波長處，產(chǎn)生了干凈的脈沖形狀和光譜，從而使Femtolite光纖激光器能夠替代鈦藍(lán)寶石（Ti:sapphire）激光器——這類激光器一直是臨床和工業(yè)飛秒應(yīng)用中的主力軍。在810nm和1620nm波長處，Femtolite的功率范圍覆蓋150~200mW，這在太赫茲波產(chǎn)生和探測、多光子熒光顯微鏡，以及二次諧波成像中非常有用。^[5]

此外，飛秒脈沖可通過光纖傳送到最終用戶設(shè)備中。Femtolite FD系列提供光纖耦合輸出，重復(fù)頻率50MHz，平均輸出功率高達(dá)1W。這種水平的脈沖能量，對于需要將飛秒脈沖光源靈活地集成到設(shè)備中的許多非線性成像或計(jì)量應(yīng)用而言，已經(jīng)足夠用了。

同樣地，光纖激光器啁啾脈沖放大器（FLCPA），也是美國Calmar Laser公司Cazadero高能量（高達(dá)30μJ）超快激光器的基礎(chǔ)，該激光器在1μm或1.5μm波長處產(chǎn)生超快脈沖（<0.5ps），重復(fù)頻率數(shù)百千赫茲。這些超快激光器產(chǎn)品可以輸出綠光（515nm）和紫外光（343nm），并能與該公司的Bodega OPA耦合，進(jìn)而能在整個(gè)近紅外（near-IR）區(qū)域提供較寬的波長范圍。

Cazadero FLCPA超快激光器始于27MHz的被動SESAM鎖模種子光纖激光器，采樣低至120kHz或更高。超快脈沖是通過頻率時(shí)間展寬（啁啾），使得通過高功率光纖放大器級、以較低的峰值強(qiáng)度進(jìn)行放大。高達(dá)30μJ的短脈沖能量傳輸?shù)阶杂煽臻g中。這種FLCPA是固態(tài)飛秒激光放大器的一種具有成本效益的替代方案，用于精密生物醫(yī)學(xué)材料加工和納米結(jié)構(gòu)化。^[7]

由于能夠產(chǎn)生超過4000^oC的高熔融溫度，可用于材料熔化、微結(jié)構(gòu)操作或多材料合成，高功率飛秒光纖放大器已經(jīng)被越來越多地用于材料加工和制造領(lǐng)域。2014年，美國Laser-Femto公司首次實(shí)現(xiàn)了0.5mJ的飛秒光纖激光器，提升了基于光纖的飛秒技術(shù)的高功率極限。

被動鎖模

SESAM被動鎖模技術(shù)也是Calmar公司的Carmel-CFL超快光纖激光器種子平臺的基礎(chǔ)。Carmel X系列是高功率、風(fēng)冷、780nm（以及可選的1550nm）、基于光纖的飛秒激光器，輸出功率從0.2W到超過1.0W（在1550nm高達(dá)2.5W；見圖3）。

Carmel激光器能提供<90fs的脈寬，并且體積小巧，比許多Ti:sapphire激光器更加緊湊，但是輸出功率水平卻之接近，能夠滿足一系列超快激光應(yīng)用的需求，包括生物成像、多光子顯微、光學(xué)計(jì)量、3D微打印、太赫茲成像和眼科學(xué)。^[8]

Carmel X系列包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、功率監(jiān)控、系統(tǒng)診斷和二次諧波晶體的自動調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的使用壽命及OEM服務(wù)支持。對于多光子顯微應(yīng)用，Carmel超快激光器可用于細(xì)胞組織成像，提供最小的散射，并降低光損傷的風(fēng)險(xiǎn)。緊湊的激光頭及配套的鎧裝光纜，使其只需要最少的光學(xué)元件就可以集成到現(xiàn)有的光學(xué)顯微鏡中。

另一種具有低相位噪聲和低時(shí)間抖動的被動鎖模、工業(yè)級飛秒激光器，是瑞士Onefive公司的Origami。其變換限制的孤子脈沖發(fā)射，在不同的波長和不同的重復(fù)頻率下，提供衍射極限的光束質(zhì)量和指向穩(wěn)定性。

為了能在惡劣環(huán)境中工作，Origami封裝在采用風(fēng)冷和密封外殼內(nèi)，專為高穩(wěn)定性和低漂移而設(shè)計(jì)。Onefive公司的Origami（<100fs，高達(dá)5nJ）、Origami HP（<100fs，高達(dá)100nJ）和Origami XP（<400fs）等飛秒激光器產(chǎn)品，是超低噪聲計(jì)時(shí)和頻率梳應(yīng)用的理想選擇。^[6]Origami XP（<400fs，>40μJ）非常適用于飛秒眼科學(xué)（LASIK和白內(nèi)障手術(shù)）和材料微加工應(yīng)用。

多波長輸出

德國Toptica Photonics公司的FemtoFiber系列飛秒光纖激光器使用餌光纖和鐿光纖，能夠提供多種輸出選擇：1560nm/780nm、可見/近紅外可調(diào)諧輸出，紅外/近紅外超連續(xù)譜和短脈沖型號，可用于非線性顯微、雙光子聚合、時(shí)域太赫茲和阿秒科學(xué)應(yīng)用，并且還可以用作種子激光器。

可飽和吸收鏡（SAM）鎖模和保偏光纖技術(shù)，使得交鑰匙型FemtoFiber ultra系列可用于生命科學(xué)、阿秒科學(xué)、光學(xué)相干斷層掃描（OCT），以及工業(yè)/ OEM集成應(yīng)用，這些應(yīng)用通領(lǐng)域常缺乏具有激光專業(yè)知識的工程師。FemtoFiber激光器的光纖振蕩器，可用于為一個(gè)或多個(gè)光學(xué)放大器提供種子源。同步的多個(gè)激光器系統(tǒng)，有益于諸如頻率計(jì)量和泵浦-探測實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用。

Toptica FemtoFiber dichro系列從同一孔徑輸出不同波長的兩路同步激光束。該平臺設(shè)計(jì)上特別注重經(jīng)常需要不止一種顏色的應(yīng)用，如生物光子學(xué)應(yīng)用，包括雙光子熒光和二次諧波產(chǎn)生（SHG）顯微。

FemtoFiber dichro bioMP型號從一個(gè)孔徑發(fā)射亞150fs脈沖，輸出波長780nm（>500mW）和1050nm（>1000mW），可獨(dú)立調(diào)制強(qiáng)度、脈寬（啁啾）以及相應(yīng)的脈沖間延遲，這些可調(diào)節(jié)的參數(shù)在活體細(xì)胞多色雙光子成像、寬帶相干反斯托克斯拉曼光譜（CARS）、受激拉曼光譜（SRS）研究，以及泵浦-探測實(shí)驗(yàn)和脈沖受激發(fā)射耗盡（STED）顯微（見圖4）應(yīng)用中，能夠大顯身手。^[9]

MOPA功率

英國Fianium公司（2016年初被NKT Photonics公司收購）的光纖激光器系列產(chǎn)品基于主振蕩功率放大器（MOPA）構(gòu)建模塊，生產(chǎn)輸出皮秒或飛秒光學(xué)脈沖的鎖模激光器光源。Fianium提供的高平均功率（>20W）和高能量系統(tǒng)，能以兆赫茲重復(fù)頻率到單次發(fā)射工作，光譜范圍覆蓋240~2500nm。

Fianium公司的超連續(xù)譜（SC450-4）或“白光”光纖激光器發(fā)射超寬光譜，通常從紫外到超過2μm，并具有激光般的光束質(zhì)量。所有Fianium公司的超連續(xù)譜激光器，均以兆赫茲重復(fù)頻率提供皮秒脈沖，使它們與穩(wěn)態(tài)應(yīng)用中的CW源或壽命測量中的脈沖光源同樣有效。單個(gè)超連續(xù)譜激光器，配合可調(diào)諧濾光片使用，可以在一系列應(yīng)用中取代無限數(shù)目的單頻激光器。

Fianium公司的FemtoPower激光器，采用被動鎖模MOPA結(jié)構(gòu)，輸出波長1064nm、具備高平均功率和固定重復(fù)頻率。也可以提供脈寬200fs的532nm二次諧波。

Fianium公司可機(jī)架安裝的High-Energy系列光纖激光器，能夠提供高達(dá)10μJ的脈沖能量。其內(nèi)部集成輸出調(diào)制器，允許用戶定制從單次發(fā)射到高達(dá)1MHz的連續(xù)模式的輸出。該產(chǎn)品線具有<500fs脈寬的選項(xiàng)，最大平均功率2W，以及<5ps的選項(xiàng)產(chǎn)生5W的功率，適用于更高能量的應(yīng)用，包括微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)、組織消融和眼科手術(shù)。^[10]

LightWire FF1000為非線性顯微（雙光子、SHG）應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。高平均功率（1.5W）、短脈寬（80fs）以及良好的光束質(zhì)量，結(jié)合在一起獲得樣品的銳利、明亮圖像。1030nm的激光發(fā)射波長，對深激發(fā)和收集來自組織的光都非常理想。飛秒脈沖的高峰值功率（625kW），也在許多其他非線性光學(xué)應(yīng)用中有著廣泛的用武之地，如太赫茲產(chǎn)生或雙光子聚合。

基于完善的MOPA方案，立陶宛EKSPLA公司的1030nm、平均功率1.5W的LightWire FF1000激光器，專門為非線性顯微（雙光子、SHG）應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，脈寬低至80fs。LightWire FF50飛秒光纖激光器，能在1064nm波長提供<130fs的脈寬，是傳統(tǒng)釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器的低成本、緊湊及堅(jiān)固的替代產(chǎn)品。

中紅外選擇以及更多

美國IPG Photonics公司的紅外脈沖光纖激光器，提供1.03~1.06μm、1.55~1.65μm、2.09μm以及2.1~2.6μm的波長。非線性外部轉(zhuǎn)換產(chǎn)生綠光輸出，皮秒和飛秒脈沖選擇提供1.5μm處達(dá)10W、1.06μm處達(dá)100W，或者0.52μm處達(dá)5W的二次諧波源。

這些飛秒選擇的范圍從400fs到600fs，重復(fù)頻率高達(dá)3MHz，IPG的CLPF超快振蕩器提供40fs脈沖，在2.1~2.6μm范圍內(nèi)提供客戶選擇的固定波長，重復(fù)頻率80~800MHz，輸出功率2W。IPG的超快放大器提供了在2~3μm光譜范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)瓦輸出功率的能力。克爾透鏡鎖模振蕩器和超快放大器頭，由IPG的連續(xù)光纖激光器泵浦，滿足了一系列科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需求。

所有的飛秒光纖激光器制造商繼續(xù)提升超快架構(gòu)的性能，包括更寬的波長范圍、更短的脈沖以及更多的功率輸出選項(xiàng)，以應(yīng)對下一代材料研究和加工的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

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