脈沖寬度不足一直被認為是高功率飛秒光纖激光器與固體激光器相競爭的一大障礙。然而幸運的是，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，實現(xiàn)100fs的脈沖寬度一直被認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的鈦藍寶石激光器）相競爭的一大障礙，因為很多超快激光應(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，都要求脈寬達到100fs級的水平。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)有報道稱，很多飛秒光纖激光器的平均功率已經(jīng)高達200W，但實現(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、免維護以及具有較高的成本效益等優(yōu)勢（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

對飛秒光纖激光器來講，縮短脈寬所面臨的挑戰(zhàn)是對色散、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)相對較長，因此光纖激光器中存在著嚴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，并且對于1W運作來講，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。在對外部激光器進行脈沖壓縮（dechirping）后，可以獲得15nJ、80fs的脈寬，峰值功率高達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)計已經(jīng)被證明是實現(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)計的飛秒光纖激光器可以實現(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)生和放大可以對色散、非線性失真和增益窄化有一個良好的平衡。^[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化圖（上圖），下圖是可商用的產(chǎn)品。

一項關(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，這樣的整個光纖系統(tǒng)的TOD和色散斜率就能實現(xiàn)匹配了，特別是與光柵壓縮器的匹配。

另一個用于脈寬壓縮的關(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在放大之后進行，這樣展寬的光譜就不會受到放大器增益窄化的限制。在放大階段使用的光纖長度應(yīng)該適當(dāng)，以產(chǎn)生所需要的光譜帶寬。當(dāng)脈沖的峰值功率達到一定水平時，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)工作波長位于1035nm附近時，實際測得的脈沖寬度為90fs（高斯形狀假設(shè)）（見圖3）。它有一個緊湊型的集成壓縮器，以確保光纖激光器能方便、可靠地運行。對于200fs的脈寬，已經(jīng)獲得了高達5W的壓縮輸出功率，進一步優(yōu)化可以實現(xiàn)100fs的脈寬。而且，通過增加光參量振蕩器（OP）作為補充，其波長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格、可靠性和維護方面都具有顯著優(yōu)勢，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)的固體鈦藍寶石激光器，而這類激光器通常體積較大、價格昂貴、不便于攜帶，并且需要精確的準直。尋找新型的低成本、緊湊、便攜式超快激光源，將有望增強MPM在研究領(lǐng)域，特別是在臨床研究中的應(yīng)用。

亞細胞激光消融（SLA）已經(jīng)成為細胞內(nèi)環(huán)境的承載骨架分子力學(xué)性能測試的有力工具。在亞細胞激光消融中，脈沖持續(xù)時間為100fs的高能量激光脈沖，通過一個高數(shù)值孔徑的物鏡，聚焦到一個細胞內(nèi)的目標上，如細胞器或一個骨架元素。實驗證明，使用超短脈沖，處于激光焦點上的物質(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)能夠破壞一個活體細胞中的單個線粒體，而不破壞周圍組織。

然而盡管取得了上述進展，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，價格約為15萬美元的鈦藍寶石激光器，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)濟的選擇。

參考文獻

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

2、美國專利：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).