基于超构光纤法珀结构（metafiber-FP）的波长可调谐脉冲激光器：兼具可饱和吸收与滤波功能的新型集成方案

《Advanced Science》：Wavelength Tunable Pulsed Lasers Enabled by a Versatile Metafiber Functioning as Both Saturable Absorber and Filter

本文报道了一种创新的波长可调谐脉冲激光器，其核心是集成在单模光纤端面的超构光纤法布里-珀罗结构（metafiber-FP）。该结构将二维超构表面（metasurface）与三维法珀干涉仪（FPI）单片集成，同时发挥可饱和吸收体（SA）和可调谐光学滤波器的作用，有效解决了传统混合系统存在的耦合损耗高、对准复杂等挑战。研究通过理论建模和实验验证，实现了在通信波段（~1.5 μm）的调Q（Q-switching）脉冲输出，并利用温度/折射率（RI）调制实现了约10纳米的动态波长调谐。这项工作为高性能波长可调谐脉冲激光器提供了一种结构紧凑、稳定性高的新方案，推动了超构表面技术在纤维光子学中的应用。

　　

引言

脉冲激光器，因其能够操控峰值功率、脉冲持续时间和重复频率等关键参数，在众多领域具有广泛应用。其中，调Q技术是产生稳定高能量脉冲输出的主要方法之一，它通过调制谐振腔的品质因子，将能量压缩成微秒量级的脉冲，使峰值功率比平均输出高出三个数量级。这种特性使得调Q激光器非常适用于材料加工中的精密激光烧蚀以及微创外科手术等应用。

对高效脉冲产生的追求推动了可饱和吸收体材料的发展。传统的碳基SA提供宽带操作但损伤阈值有限；过渡金属二卤化物提供波长选择性吸收但恢复时间较慢；拓扑绝缘体结合了超快恢复和相对较高的调制深度，但其集成到激光系统中仍面临挑战。最新的突破涉及等离子体超构表面，这些经过设计的亚波长纳米结构在线性和非线性状态下都能实现非凡的光学特性。特别是，将等离子体超构表面集成在单模光纤端面形成“超构光纤”的研究，已展示了在锁模和调Q区域工作的脉冲光纤激光器。

与此同时，波长可调谐脉冲激光器因其在需要精确光谱匹配的应用（如波分复用和光谱分析）中的重要性而吸引了越来越多的研究关注。传统的可调谐系统通常依赖于将SA与波长选择元件结合的混合架构。这些混合配置通过两种主要机制实现光谱敏捷性：要么在光纤激光腔内引入光谱滤波，要么利用非线性偏振旋转。虽然这些方法提供了高达数十纳米的调谐范围和微秒级的切换速度，但它们面临关键的局限性——两种方法都需要将光纤电路与分立的光学/电学滤波器复杂地集成在一起，导致不可避免的耦合损耗和对准挑战。

为了应对传统混合光纤系统在波长可调谐脉冲激光产生方面的复杂性和对准挑战，本研究提出并展示了一种超构光纤-法珀配置。

超构光纤-法珀的理论模型

在超构光纤-法珀配置中，一个法珀腔在制作于光纤端面的超构表面和作为滤波器干涉仪的均匀金膜之间形成。本研究中的法珀腔填充了酒精-蒸馏水溶液，金超构表面和金膜的反射率均为90%。光束的透射光谱由法珀腔标准公式描述，其中透射率T与反射率R和往返相位偏移δ相关，δ = 4πnL/λ，这里n表示法珀腔介质的折射率值，L是法珀腔的物理长度，λ是入射光的波长。

通过独立调节溶液的温度和浓度，可以分别调制L和n，从而实现法珀腔内的光谱调谐。模拟结果显示，与填充空气相比，填充纯酒精的法珀腔显示出更多的共振峰，在Er³⁺的增益区间内出现了明显的高强度峰。为了实现1.5 μm波长可调谐脉冲激光，研究聚焦于Er³⁺增益区域内的共振峰，并通过调整L和n来实现波长调谐。首先，温度调节可有效控制腔长。将液腔温度从30°C升高到60°C，会引起腔长以0.06 μm的步长逐步增加。这种热调谐机制使得共振峰在增益范围内从1550.5 nm平滑地移动到1559.8 nm。此外，改变酒精浓度会改变溶液的折射率：将体积浓度从30%增加到90%，折射率从1.343提高到1.363。这种折射率调制将共振峰从1547.3 nm移动到1566.3 nm。该数值模型清楚地表明，调整温度和折射率能够精确调制超构光纤-法珀共振峰的位置。

波长可调谐调Q脉冲激光的理论建模

为了全面验证超构光纤-法珀用于调Q脉冲激光的频域调制特性，研究进行了调Q脉冲的数值模拟研究。该研究依赖于一个结合了修正的非线性薛定谔方程和速率方程的耦合模型。该集成模型旨在同时捕捉激光脉冲的时间演化和整个激光系统的光谱特性，从而提供一个更准确的理论分析框架。

耦合模型完全包含了增益滤波引起的损耗效应，对调Q脉冲包络内不同能级的光子施加相应的能量相关损耗。在计算光强时，累积积分所有能级光子的贡献以合成耗尽增益剖面。这种方法学使得通过选择性操纵目标波长的光子群来实现波长特定的调Q操作成为可能。数值模拟采用了与实验配置紧密对齐的参数。具体来说，群速度色散参数设置为单模光纤22 ps²/km，增益光纤+12 ps²/km，反映了它们不同的色散特性。关键的掺铒光纤参数包括10 ms的粒子数弛豫时间、37 dB的小信号增益系数和1 μJ的饱和能量，这些对于精确模拟增益介质动力学至关重要。

随后，将作为陷波滤波器的超构光纤-法珀的光谱曲线集成到耦合模型中，这是实现脉冲激光中心波长调谐的关键步骤。在脉冲激光系统中，频域的光谱特性——包括中心波长和带宽——从根本上由增益介质的特性决定。增益介质的能级结构和增益剖面决定了激光可以放大和发射的波长范围。在传统的稳定激光配置中，由于增益光纤固定的增益系数和饱和行为，输出波长几乎保持不变，在稳态操作下将中心波长维持在窄容差内。本研究引入的超构光纤-法珀通过调制腔内液体温度和折射率值，直接影响激光在Er³⁺增益带宽内的纵模选择和中心波长。通过将这些曲线叠加到增益光谱上，通过将光谱谷位置作为调Q脉冲模拟的中心波长，实现了调Q激光的选择性波长调谐。将温度和折射率相关的反射光谱纳入模型后，数值表征了调Q脉冲的可调波长动力学。系统地调节温度和折射率分别产生了约10 nm和约20 nm的波长偏移，验证了超构光纤-法珀作为可调谐光谱滤波器的有效性。

超构光纤-法珀的制备

为了通过将二维超构表面和三维法珀腔集成在光纤端面来制造超构光纤-法珀，研究基于先前的工作开发了一种多维制造方法。该加工流程结合了使用物理气相沉积和聚焦离子束铣削的平面微纳加工，以及在光纤端面通过双光子光刻的三维微加工。

平面制造步骤包括在商业单模光纤跳线端头上沉积55纳米厚的金膜和FIB图案化。使用30 kV, 10 pA的Ga⁺ FIB系统在高精度下铣削纳米孔超构表面结构。该超构表面，内径280 nm，外径550 nm，周期850 nm，被图案化在单模光纤跳线芯区内，从而形成超构光纤组件。为了规避TPL过程中的不良缺陷，使用30 kV, 600 pA的Ga⁺ FIB系统在预制的纳米孔区域周围图案化一个更大的微孔结构。随后的TPL使用商业PPGT2系统在超构光纤结构上方进行。考虑到SMFJ端面集成，研究调整了光纤支架设计以适应超构光纤的即插即用功能，实现与TPL设置的直接机械和光学耦合。然后通过逐层TPL打印构建聚合物法珀腔，一个30 μm高的腔柱专门设计用于便于液体样品渗透到腔内。最后，在聚合物腔盖上沉积了顶部金膜涂层，完成了超构光纤-法珀混合结构。扫描电子显微镜图像显示法珀腔下方完整的纳米孔超构表面，证明了在SMFJ端面上平面和三维制造工艺之间的良好兼容性。

基于超构光纤-法珀的调Q脉冲激光

本节介绍了使用填充99.99%纯度酒精溶液的超构光纤-法珀作为可饱和吸收体的调Q激光器的实验演示。乙醇在超构光纤-法珀结构中引起的插入损耗仅为1%，这主要归功于其优异的光学透明度和低吸收特性。这使得光学信号在通过溶液时能保持高传输效率。

激光腔由关键组件精心构建，包括980 nm泵浦光源、用于光束耦合的波分复用器、用于1550 nm激光产生的掺铒增益光纤、偏振控制器、维持单向光传输的隔离器以及输出20%光束的光耦合器。考虑到超构光纤-法珀的高反射特性，使用环行器将其连接到激光腔。实验结果表明，当泵浦功率超过80 mW时开始产生调Q脉冲。在80 mW泵浦功率下，光学光谱显示中心波长为1545.3 nm，射频光谱在11.8 kHz处出现峰值，在100 kHz分辨率下信噪比为40 dB，这与示波器测量的84.5 μs时间间隔很好地吻合。泵浦功率是调节激光性能的关键参数。增加泵浦功率可以有效增强调Q脉冲的稳定性，具体来说，将泵浦功率从80 mW调整到180 mW，实现了12.5 dB的信噪比改善。此外，还证明了调Q脉冲的长期功率稳定性，当泵浦功率维持约200分钟时，记录到的波动仅为0.1 μW。

在超构光纤-法珀腔中，热效应是限制稳定性的主要因素。与空气填充腔相比，乙醇浴提供了固有的液体冷却机制。液体的热传导和对流有效地消散腔内的热量，抑制温度积累，维持稳定输出并延长器件寿命。激光的输出功率曲线显示调Q阈值为80 mW；低于此值，不会产生稳定的调Q脉冲，输出功率保持低位。一旦泵浦功率超过80 mW，调Q脉冲出现，输出功率迅速上升。通过将泵浦功率从80 mW变化到180 mW，脉冲宽度可以在2.2-7.5 μs范围内调整，重复频率可以从12.4 kHz调谐到30.4 kHz，展示了该调Q激光系统的灵活性和可控性。为了保持光纤激光器的安全稳定输出，实验中有意避免了更高的泵浦功率。高能量调Q脉冲及其可调的脉冲宽度和重复频率，在激光清洗、激光微加工和生物医学工程等领域具有广阔的应用前景。

波长可调谐脉冲激光的温度调制方案

本节重点介绍由超构光纤-法珀温度控制系统实现的频域光谱调制。该系统旨在通过改变其温度来精确调制超构光纤-法珀的光学特性。将超构光纤-法珀浸入酒精浴中，温度增量设定为10°C间隔。温度控制通过磁力搅拌加热台实现，温度分辨率为0.1°C。为了确保乙醇浴内的空间均匀性，采用了连续磁力搅拌：旋转的搅拌棒有效促进热量重新分布，减轻热点和热梯度。温度变化直接影响法珀腔的光学路径长度，进而改变超构光纤-法珀的共振波长，从而起到可调谐滤波器的作用进行频域调整。

实验设置包括将光源注入环行器的端口1，然后通过端口2将光引导至超构光纤-法珀。输出光学信号由高分辨率光谱仪捕获，允许实时光谱监测。在法珀腔中填充酒精溶液并提高溶液温度后，法珀腔的长度被调制，改变了法珀结构的自由光谱范围。这导致超构光纤-法珀的光谱调制能力增强，从增加的品质因子和扩大的调制范围可以明显看出。随着温度升高，光谱噪声基底显示出轻微下降，这主要是由于热诱导的超构光纤-法珀腔和乙醇填充介质的变化共同改变了共振条件，从而移动了噪声基线。

基于这些发现，将温度控制子系统集成到光纤激光系统中，以实现调Q脉冲激光的动态波长调制。通过将酒精浴的温度从30°C调整到50°C，实现了中心波长从1549.0 nm到1557.0 nm的连续调谐，展示了所提出的温度控制机制在实现光纤激光应用精确光谱调制方面的有效性。

波长可调谐脉冲激光的折射率调制方案

超构光纤-法珀的共振波长也受到填充其腔体的酒精溶液折射率值的影响。通过调节酒精/水混合物中的酒精浓度，可以系统地调谐溶液的折射率，导致器件反射光谱发生可观测的偏移。选择乙醇-水混合物来调制折射率，主要是因为该混合物满足Er³⁺离子增益区域内强共振的共振条件。这种共振允许在1.5 μm波段对调Q脉冲进行波长调谐：通过调节乙醇与水的比例，可以精确控制混合物的折射率，从而实现激光波长的精细调谐。选择乙醇溶液的另一个原因是其优异的润湿性，这确保了光学腔的均匀填充和光学元件表面的均匀覆盖。这对于维持腔的稳定性和一致性至关重要。

如图所示，增加酒精浓度会引起超构光纤-法珀共振波长的明显红移，这是法珀腔内折射率依赖性光学路径长度的直接结果。当集成到光纤激光系统中时，这种折射率调制机制实现了调Q脉冲激光的波长可调谐性。这种光学损耗需要更高的泵浦功率来维持调Q操作，导致输出光谱中出现光谱基座，这反映了稳定脉冲产生所需的能量补偿。

滤波器作为可调谐脉冲激光器中的关键调谐元件，已经被广泛研究。本研究将滤波器设计集成到超构光纤-法珀结构中，使该器件能够同时表现出可饱和吸收和波长可调谐性。结果显示了一个10纳米的调谐范围，这满足了波长可调谐操作的公认标准。波长可调谐脉冲产生的阈值是80 mW，这与其他可饱和吸收体的报道值相当。然而，能量转换效率仅为0.5%，这是当前系统的一个明显缺点。未来的工作将侧重于最小化整体腔损耗以提高此效率。

结论

为了解决传统混合光纤系统在波长可调谐脉冲激光产生方面的复杂性和对准挑战，我们提出并展示了一种超构光纤-法珀配置。这种创新结构将二维超构光纤与三维法珀干涉仪集成在单模光纤端面，同时充当可饱和吸收体和可调谐光学滤波器。通过建立结合了修正非线性薛定谔方程和速率方程的耦合模型，我们实现了一种动态波长调谐方案，能够通过引入的陷波滤波效应覆盖高达20纳米。利用法珀腔的光学可调性，我们的设计实现了通信波段的调Q操作，并通过温度/折射率调制实现了约10纳米的动态波长调谐。这项工作不仅为脉冲激光频域调制提供了一种有前景的方法，而且拓展了超构表面技术在纤维光子学中的新领域，促进了相关领域的进一步发展和创新。