01 導(dǎo)讀

    近日，廈門(mén)大學(xué)羅正錢(qián)教授課題組在可見(jiàn)光超快光纖激光研究領(lǐng)域取得重大突破，首次實(shí)現(xiàn)了一種全光纖可見(jiàn)光被動(dòng)鎖模激光器。

    該激光器可以產(chǎn)生635 nm的皮秒脈沖激光，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高性能且低成本等優(yōu)勢(shì)，是在可見(jiàn)光范圍內(nèi)向小型化超快光纖激光器邁出的重要一步。

    將為可見(jiàn)光超快光纖激光在精密光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、顯微成像、光通信、科學(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，具有很好的研究潛力和應(yīng)用價(jià)值。

02 背景介紹

    超短脈沖激光產(chǎn)生是整個(gè)超快光學(xué)發(fā)展的基石，尤其是上世紀(jì)90年代鈦藍(lán)寶石激光晶體和克爾透鏡鎖模技術(shù)的相繼誕生，引爆了超快激光的快速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于激光材料加工、國(guó)防軍事、生物醫(yī)學(xué)、精密測(cè)量、生物光子學(xué)、超快光譜學(xué)、光通信、科學(xué)研究等重要領(lǐng)域。

3）可見(jiàn)光波段光纖諧振腔具有超大正色散值，建立可見(jiàn)光穩(wěn)定鎖模的難度急劇增加。

    可見(jiàn)光超短脈沖目前仍主要通過(guò)近紅外超快激光的非線性倍頻產(chǎn)生，激光系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜且倍頻過(guò)程降低超快激光性能。

    尤其是，在某些應(yīng)用領(lǐng)域（例如超精密光譜、光學(xué)原子鐘等）對(duì)可見(jiàn)光超快激光的性能（噪聲、穩(wěn)定性等）和便攜式小型化提出很高要求，通過(guò)被動(dòng)鎖模技術(shù)直接產(chǎn)生可見(jiàn)光超快激光無(wú)疑是最佳選擇。

        如何實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光被動(dòng)鎖模光纖激光器，直接產(chǎn)生小型化、低成本且高性能的可見(jiàn)光超快激光，是一直困擾超快激光研究領(lǐng)域的一個(gè)難題。

    在本文中，作者通過(guò)數(shù)值求解金茲伯格-朗道方程，發(fā)現(xiàn)耗散孤子諧振機(jī)制可應(yīng)用于可見(jiàn)光波段超大正色腔鎖模的穩(wěn)定建立，采用等離子體濺射光纖端面介質(zhì)鏡技術(shù)，構(gòu)建了全光纖型可見(jiàn)光激光腔，首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了小型化可見(jiàn)光被動(dòng)鎖模光纖激光器，獲得鎖模中心波長(zhǎng)為635 nm（紅光）的皮秒脈沖激光。

03 創(chuàng)新研究

圖1. 可見(jiàn)光被動(dòng)鎖模光纖激光器的數(shù)值模擬結(jié)果。

（a）脈沖演化；（b）相應(yīng)的光譜演化；

（c）脈沖時(shí)域波形（實(shí)線）和相應(yīng)的頻率啁啾（虛線）；

（d）鎖模激光光譜。

    在這項(xiàng)工作中，作者利用標(biāo)準(zhǔn)分步傅里葉法數(shù)值求解金茲伯格-朗道方程，發(fā)現(xiàn)耗散孤子諧振（DSR）機(jī)制利于可見(jiàn)光波段超大色散光纖腔被動(dòng)鎖模脈沖的穩(wěn)定建立。

    如圖1所示，作者數(shù)值模擬了在DSR機(jī)制下635 nm鎖模脈沖的形成和演化。

    隨著腔內(nèi)往返次數(shù)的增加，初始脈沖迅速收斂，在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的鎖模脈沖（圖1a），相應(yīng)的光譜演化如圖1b所示，隨著往返次數(shù)的增加，光譜變窄，光譜帶寬的變化趨勢(shì)與脈沖寬度的變化趨勢(shì)相反。

    最后，即使腔內(nèi)往返次數(shù)進(jìn)一步增加，脈沖、光譜和峰值功率都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明穩(wěn)定的鎖模被建立。

    圖1c.展示了不同小信號(hào)增益系數(shù)（相當(dāng)于改變泵浦功率）下635 nm鎖模脈沖時(shí)域波形（實(shí)線）和相應(yīng)的頻率啁啾（虛線）的演變。

    隨著小信號(hào)增益系數(shù)的增加，鎖模皮秒脈沖寬度線性增大，脈沖強(qiáng)度幅值保持不變。

    635 nm鎖模脈沖光譜的中心波長(zhǎng)在635 nm，具有窄線寬（<0.1 nm）（圖1d）。

圖2. 635 nm可見(jiàn)光全光纖被動(dòng)鎖模激光器的實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3. 在93 mW泵浦功率下635 nm鎖模光纖激光器的輸出特性。

（a）鎖模光譜；（b）典型的脈沖系列；

（c）單脈沖（插圖：泵浦功率為68 mW時(shí)的單脈沖）;

（d）基頻RF頻譜（插圖：寬帶RF頻譜（100 MHz跨度））。

    基于數(shù)值模擬結(jié)果，作者采用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖，首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了635 nm紅光被動(dòng)鎖模光纖激光器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

    該鎖模激光器是全光纖的八字腔結(jié)構(gòu)，采用850 nm LD泵浦Pr/Yb共摻ZBLAN光纖產(chǎn)生可見(jiàn)光增益，然后利用非線性放大環(huán)鏡實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模耗散孤子脈沖的建立。

    該激光器產(chǎn)生的鎖模激光的中心波長(zhǎng)為635.04 nm，光譜線寬<0.1 nm（圖3a.），并且具有可調(diào)的皮秒脈寬（96-1298 ps）。

    圖3b.為典型的脈沖序列，其間隔為258.3 ns，與腔往返時(shí)間吻合，輸出脈沖強(qiáng)度一致，表明鎖模脈沖非常穩(wěn)定。

    相應(yīng)的單脈沖如果采用超高斯擬合，則脈沖為平頂矩形脈沖。值得注意的是，在泵浦功率為68 mW時(shí)，獲得的最小的鎖模脈寬為96 ps（圖3c.）。

    另外，如圖3d.所示，鎖模脈沖的重復(fù)頻率為3.8713 MHz，信噪比高達(dá)67 dB，進(jìn)一步表明該激光器具有出色的穩(wěn)定性。

    值得注意的是：上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果（光譜、脈寬等）與圖1中數(shù)值模擬結(jié)果完美吻合。

    此外，通過(guò)調(diào)整該激光器腔內(nèi)的偏振態(tài)，作者還獲得了具有寬帶（>1 nm）被調(diào)制光譜的類(lèi)噪聲脈沖（NLP）鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的635 nm類(lèi)噪聲皮秒脈沖的脈寬同樣可調(diào)。

04 應(yīng)用與展望

    本文報(bào)道的全光纖可見(jiàn)光被動(dòng)鎖模激光器，是在可見(jiàn)光范圍內(nèi)向小型化/低成本超快光纖激光器邁進(jìn)的重要一步，可推廣至其他可見(jiàn)波長(zhǎng)的超快光纖激光產(chǎn)生。

    這一突破將為可見(jiàn)光超快光纖激光在可見(jiàn)光飛秒光梳、超分辨顯微成像、生物醫(yī)學(xué)、倍頻紫外超快激光和科學(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

2） 如何實(shí)現(xiàn)低噪聲/高穩(wěn)定性的可見(jiàn)光光纖鎖模激光。

05 作者簡(jiǎn)介

羅正錢(qián) 教授

    羅正錢(qián) 廈門(mén)大學(xué)教授、博導(dǎo)，現(xiàn)任廈門(mén)大學(xué)電子工程系主任。
    針對(duì)目前超快光纖激光器工作波長(zhǎng)主要局限在1-2μm近紅外的問(wèn)題，一直致力于發(fā)展‘小型化、新波段超快光纖激光技術(shù)與應(yīng)用’這一研究方向，尤其在可見(jiàn)光和中紅外等新波長(zhǎng)全光纖超快激光方面取得多項(xiàng)重要進(jìn)展，獲福建省自然科學(xué)獎(jiǎng)1項(xiàng)(第一完成人)，部分成果已走向產(chǎn)品應(yīng)用。
    主持光纖超快激光領(lǐng)域國(guó)家級(jí)項(xiàng)目4項(xiàng)、軍委裝備預(yù)研基金1項(xiàng)、省部級(jí)4項(xiàng)。入選福建省杰出青年基金、福建省特支‘雙百’青年拔尖人才、福建省新世紀(jì)優(yōu)秀人才，2016-2017年MIT訪問(wèn)教授。
    迄今發(fā)表學(xué)術(shù)論文130余篇(SCI 90余篇)，第一或通訊作者SCI論文54篇 (其中7篇ESI高被引論文, 3篇特邀論文)，谷歌學(xué)術(shù)總引用3500余次，單篇最高被引410余次(第一且通訊)，引用>100次的論文9篇(第一或通訊)，h指數(shù)26。

    該論文題目是 Towards visible-wavelength passively mode-locked lasers in all-fibre format，發(fā)表在 Light: Science & Applications 。
    論文第一作者為廈門(mén)大學(xué)博士生鄒金海，通訊作者為羅正錢(qián)教授。

    論文全文下載地址：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0305-0

原文鏈接：《鎖模超快光纖激光器推向可見(jiàn)光波段》

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