通过增益控制的非线性放大技术，产生了波长为977纳米、环境稳定性较高的光学脉冲，脉冲持续时间约为50飞秒

《Optics & Laser Technology》：Environmental stable ～50 fs optical pulses at 977 nm generated by gain-managed nonlinear amplification

　　

强浩|何明阳|郝安清|罗鹏

上海科技大学光电与计算机工程学院，中国上海200093

摘要

我们展示了一种在977纳米波段工作的增益管理非线性放大（GMNA）系统，该系统采用了全保偏（PM）光纤架构。系统地将GMNA的性能与传统的主振荡器功率放大（MOPA）进行了对比，这两种技术分别应用于芯泵浦单模光纤（SMF）和包层泵浦双包层光纤（DCF）放大器中。通过在20/125微米的掺镱DCF（YDCF）中以915纳米波长泵浦40瓦功率，我们实现了2.0瓦的平均功率和52飞秒的脉冲持续时间。据我们所知，这是迄今为止报道的基于掺镱光纤（YDF）激光系统在977纳米波段实现的最短脉冲持续时间。这项工作填补了接近920纳米和1030纳米的成熟飞秒光源之间的光谱空白，为近红外区域的应用提供了高性能的超快激光源。

引言

产生约50飞秒脉冲的超快激光在众多科学和工业应用中不可或缺[1],[2]。尽管钛宝石激光器因其宽增益带宽和成熟的克尔透镜锁模技术而占据主导地位，但其实际应用受到平均输出功率低、依赖笨重且维护成本高的泵浦源以及在紧凑配置下长期稳定性挑战的制约。掺镱的固态和光纤增益介质由于其出色的性能以及与高功率二极管泵浦的兼容性而受到了广泛关注。包括块状晶体（例如Yb:CALGO、Yb:CaYAlO₄）、薄盘几何结构和大模场面积（LMA）光纤在内的多种平台的进步，使得基于镱的超快激光器具备了高平均功率、高效率和优异的光束质量，从而克服了传统钛宝石系统的关键缺点[3],[4],[5]。

几乎所有商用和最先进的科研级掺镱飞秒激光器都在1030纳米波段工作。在二氧化硅基质中，镱离子具有两个主要的发射带：一个位于980纳米附近的三能级跃迁，另一个位于大约1030纳米的准四能级跃迁。由于该波长附近的强再吸收，高效激光输出仍然具有挑战性。随着对蓝光和深紫外光源需求的增加，最近的发展实现了980纳米波段的连续波[6],[7]、纳秒[8],[9]和皮秒[10] YDF激光系统。980纳米的飞秒脉冲能够高效激发红色荧光蛋白，用于深层组织的体内成像；其次谐波生成到490纳米则可作为超快泵浦-探测光谱学的可见光泵浦光束。然而，对于飞秒操作而言，掺镱介质面临额外的限制：980纳米处的发射带宽明显比1030纳米处窄，难以实现低于100飞秒的脉冲持续时间。尽管在非线性频率转换方面具有巨大的应用潜力，但980纳米波段的超快振荡器和放大器的发展仍远远落后于成熟的1030纳米系统。

GMNA作为一种强大的策略，通过在光纤系统中的超快脉冲放大过程中平衡自相位调制和色散，有效缓解了光谱带宽的限制。典型的方案在连续放大阶段之间使用带通滤波器（BPF）来优化输入脉冲的啁啾，这大大增强了光子晶体光纤中的非线性光谱展宽[12]。Sidorenko等人提出并实验验证了GMNA机制，实现了近两个数量级的光谱展宽，并支持在1050纳米波段产生小于50飞秒的压缩脉冲[13]。后续工作将脉冲能量进一步提升至1.2微焦耳，并从大模场面积光纤放大器中获得了小于40飞秒的脉冲[14]。Xia等人展示了一种全光纤集成的GMNA系统，能够产生峰值功率为3.6毫瓦、脉冲能量为163纳焦耳的45飞秒脉冲，结合了BPF预整形和空心芯光子带隙光纤压缩技术[15]。这种来自GMNA系统的超短脉冲使得高分辨率多光子显微镜、深层组织成像以及多荧光团区分成为可能，同时提高了光谱选择性和降低了光损伤[16],[17]。

在这项工作中，我们首次实验性地展示了中心波长为977纳米、平均功率高达2.0瓦的约50飞秒脉冲。通过仔细管理和优化非线性效应，我们系统地研究了从SMF前置放大器和DCF主放大器获得的最短脉冲持续时间。

章节摘录

实验装置

如表1所示，光纤激光系统包括一个NALM锁模振荡器、一个带通滤波器（BPF-1）、一个SMF前置放大器、一段PM980光纤、第二个带通滤波器（BPF-2）、一个DCF主放大器以及一个传输光栅脉冲压缩器。实验装置的详细结构布局如图1所示。为了系统地研究不同放大模式对非线性效应的影响，实施了三种不同的配置来控制SMF中的非线性效应

激光振荡器

激光振荡器采用了过泵浦方案，以提供足够的泵浦功率实现自启动锁模。考虑到CFBG的色散为0.27皮秒/纳米（对应于GVD=-0.138皮秒²），在40兆赫的重复频率下，净腔色散（NCD）接近零。通过优化振荡器内的被动光纤长度，可以实现27.8兆赫至50兆赫范围内的自启动锁模。超出这个范围时，需要额外的机械

结论

本研究系统地研究了五种配置（Setup-1至Setup-5）下的980纳米飞秒脉冲放大，每种配置都使用了优化的SMF前置放大器和DCF主放大器。在Setup-2中，前置放大器产生的脉冲持续时间为116飞秒，平均功率约为100毫瓦；而在Setup-5中，整个系统实现了平均功率为2.0瓦、脉冲持续时间仅为52飞秒的脉冲。

这种方法有效克服了增益狭窄的限制。通过实施带通滤波器

CRediT作者贡献声明

强浩：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，方法论，资金获取。何明阳：可视化，验证，形式分析。郝安清：研究，数据管理。罗鹏：资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了量子科学技术-国家重点科技项目（2023ZD0301000）的支持。