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超快拉曼光纤激光器:回顾与展望

发表时间: 2022-08-31 00:00:00

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超快拉曼光纤激光器已被证明是一种获得特殊波长超快光脉冲的有效方法。然而,与传统的稀土掺杂激光器相比,拉曼光纤激光器难以产生高脉冲能量和短脉冲持续时间的脉冲。在这里,我们回顾了三类超快拉曼光纤激光器技术,并详细讨论了每种技术的优势和挑战。在锁模方面,比较了不同的基于可饱和吸收体的光纤激光器,并讨论了它们因长腔长度而导致的常见问题。


摘要


       超快拉曼光纤激光器已被证明是一种获得特殊波长超快光脉冲的有效方法。然而,与传统的稀土掺杂激光器相比,拉曼光纤激光器难以产生高脉冲能量和短脉冲持续时间的脉冲。在这里,我们回顾了三类超快拉曼光纤激光器技术,并详细讨论了每种技术的优势和挑战。在锁模方面,比较了不同的基于可饱和吸收体的光纤激光器,并讨论了它们因长腔长度而导致的常见问题。在同步泵浦方面,讨论了使脉冲泵浦重复率与拉曼光纤腔长度相匹配的几种方法,并分析了每种方法的技术复杂性。此外,引入了***近开发的称为非线性光学增益调制 (NOGM) 的技术,该技术被证明是一种简单且高质量的解决方案,可生成具有波长敏捷性的高能飞秒脉冲。与其他同类产品相比,NOGM具有结构简单、长期稳定性好、脉冲能量高、脉宽短等优点,有望在不久的将来有效推动超快拉曼光纤激光器的应用拓展。


介绍


       超快激光器可以产生持续时间从皮秒到飞秒范围内的光脉冲,从 Maiman 的***次激光演示以来,人们早就提出和研究了超快激光器。与连续波(CW)激光器相比,超快激光器在短脉冲持续时间、高峰值功率和宽光谱宽度等方面具有优势。因此,在过去的几十年里,超快激光源的发展被认为具有巨大的科学影响。

近年来,超快光纤激光器因其结构紧凑、光束质量好、操作简单、成本效益高等优点而引起了极大的关注。此外,由于光纤中非线性和色散的灵活控制,超快光纤激光器也成为研究各种脉冲整形机制和超快现象的理想平台。稀土掺杂光纤通常用作超快光纤激光器中的增益介质。然而,受稀土离子发射光谱的限制,激光只能在离散的光谱范围内实现。这限制了超快光纤激光器在生物成像、基础科学研究和光学计量等应用中的影响,这些应用需要特殊波长的脉冲。因此,在这些潜在应用的推动下,迫切需要扩展超快光纤激光器的输出光谱范围。

       现有的几种基于光纤非线性光学效应的技术可以扩大超快光纤激光器的输出波长,包括四波混频、自相位调制和超连续谱产生等。然而,它们中的大多数都具有明显的缺点,例如光谱调谐范围有限、光谱功率密度低以及对光纤色散工程的关键要求。与它们相比,光纤中的拉曼散射可以有效地克服上述缺点。一旦提供了具有适当波长的泵浦激光器,就可以在传统光纤的透明窗口内实现任何目标波长的激光输出,并且在近红外区域具有高转换效率。通过使用特殊的光纤,例如充气空心光纤,拉曼脉冲波长可以扩展到中红外,甚至远红外。因此,超快拉曼光纤激光器被认为是产生具有波长敏捷性的超快脉冲的出色解决方案。这种激光器有可能产生特殊波长的高功率激光脉冲,这可能会扩大在工业和生物医学领域以及科学研究领域的应用。除了波长捷变外,拉曼光纤激光器与稀土掺杂激光器相比,还具有其他一些优点,例如量子缺陷低、损伤阈值高、无光暗化。

关于超快拉曼光纤激光器,已经开发了许多方法,包括锁模、同步泵浦和非线性光学增益调制 (NOGM)。随着数值和实验验证的快速发展,超快拉曼光纤激光器已经达到了可以在不远的将来在实验室之外使用成熟度不断提高的技术激发应用开花的地步。在本文中,我们回顾了超快拉曼光纤激光器的***进展。本文的范围主要集中在在光纤中产生超快拉曼脉冲的三种主要技术。 综述了各种可饱和吸收体的锁模拉曼光纤激光器,总结了它们存在的主要技术瓶颈。 我们概述了同步泵浦拉曼光纤激光器的一些工作,它可以产生高质量的超快拉曼脉冲,但在技术简单性上有所牺牲。在图中,我们总结了我们***近关于基于 NOGM 的拉曼光纤激光器的工作,该激光器已被证明是一种简单有效的产生高脉冲能量飞秒拉曼脉冲的方法。概述了超快拉曼光纤激光器***代表性的应用,并对未来技术的发展方向进行了展望。


锁模拉曼光纤激光器


       与传统的稀土掺杂超快光纤激光器一样,超快拉曼脉冲也可以通过锁模获得。在主动锁模拉曼光纤激光器的研究中,声光调制器用于在拉曼光纤振荡器中提供周期性调制,其中实现了持续时间为几纳秒的拉曼脉冲。通过结合被动锁模,输出脉冲持续时间可以优化到几十皮秒。作为一种更常用的锁模方法,腔内可饱和吸收体(SA)的被动锁模可以提供周期性的被动调制,调制频率与腔长相匹配。这种方法不需要额外的声光调制器,在很大程度上保持了光纤激光器的简单优势。 SA 的工作原理如图所示 SA 的传输与强度有关:CW 激光和低强度的脉冲会经历较大的损耗,而高强度的脉冲会享受高传输。因此,在时域中,将消除 CW 分量并建立脉冲。同时,在光谱域中,不同纵模之间的相位将被内在锁定。被动锁模拉曼光纤激光器中应用了各种SAs,其中大部分可分为两类:基于材料的SAs和人造SAs。

在锁模激光器中的SA原理。SA的传输是依赖于强度的:连续波激光和低强度脉冲会经历很大的损耗,而高强度脉冲会经历高传输。

材料基饱和吸收器

      基于材料的SAs被广泛用于初始化和稳定光纤振荡器中的超快脉冲。在拉曼纤维激光器中研究了各种材料基SAs的性能,包括半导体饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管和石墨烯。例如,查莫洛夫斯基等人。演示了一种1590 nm锁模拉曼光纤激光器,其实验装置如图所示。.该激光器采用了一个SESAM作为SA和一块450米长的单模光纤,以在连续波泵浦条件下提供足够的拉曼增益。虽然实现了脉冲操作,但产生的脉冲序列有很强的强度变化,表明脉冲间的稳定性较差。卡斯特拉尼等人。报道了另一种碳纳米管1670 nm超快拉曼光纤激光锁模,如图所示.在他们的设计中,一个长纤维腔(超过100米)也是必要的。输出脉冲可以压缩到2 ps,峰值功率为1.4 kW。然而,无线电频率(RF)频谱的信噪比(SNR)仅为30 dB,这也表明脉冲稳定性较差。


基于SESAM的锁模拉曼光纤激光器BPF:带通滤波器PC:偏振控制器。不同泵浦功率条件下的(b)拉曼脉冲序列

基于碳纳米管的锁模拉曼光纤激光器的(a)方案。拉曼脉冲的(b)射频光谱


       在上述工作中,基于材料的SAs锁模的拉曼光纤激光器与稀土掺杂的激光器相比性能不理想。主要的性能缺陷,如表1所示,主要集中在大脉宽和脉冲稳定性差,表明其射频谱的信噪比较低。拉曼增益是由于拉曼增益是一个非常快速的非线性过程,响应极快。通常,光纤中拉曼散射的响应时间要短于材料基SAs的恢复时间。因此,在连续波泵送条件下,当SA被漂白时,会发生实时拉曼效应。结果表明,激光脉冲会被拉伸,而在相邻的激光脉冲之间会产生自发的拉曼分量并被放大,这严重降低了锁模性能。因此,虽然基于材料的SAs很容易实现到拉曼光纤激光器中,但其缓慢的恢复时间是实现高质量拉曼锁模的主要障碍。这个问题可以通过使用人工传感器来克服。

人工饱和吸收器

     与基于材料的SAs相比,人工SAs几乎是瞬时的,响应时间为飞秒,甚至比光纤中拉曼过程的响应时间更短。因此,人工SAs可以在整个拉曼增益过程中进行功能化,从而有可能产生具有高稳定性的锁模拉曼脉冲。在锁模光纤激光器中应用***广泛的人工传感器是非线性偏振旋转(NPR)和非线性光纤环镜(NOLM)。


非线性偏振旋转


       NPR是一种基于非极化维持(PM)光纤中克尔非线性的方法。与强度相关的非线性相移会导致偏振状态随光强度的函数而变化。如果偏振器与高强度光的偏振状态对齐,激光脉冲的损耗将比连续波光更低。因此,NPR可以像一个有效的快速SA。NPR锁模拉曼光纤激光器已经被许多研究小组所充分的研究和报道。例如,Kuang等人。演示了一种基于高非线性的高非线性光纤(HNLF)腔的被动锁模拉曼光纤激光器。在他们的激光设置中,如图所示,NPR由两个偏振控制器(PC)和一个具有快轴阻塞的PM隔离器进行功能化。泵浦为1539nmC波激光器,耦合到拉曼增益介质(500 m长HNLF),产生1650 nm的拉曼脉冲。拉曼激光器可以产生890 ps的脉冲,脉冲能量高达290.7nJ。然而,射频频谱(~40 dB)的大脉宽和低信噪比并不令人满意,这限制了其对许多潜在应用的影响。


基于HNLF腔的npr锁模拉曼光纤激光器的(a)方案。(b)脉冲序列和(c)扩展了拉曼脉冲的时间特征


        为了缩短脉冲宽度,提高脉冲稳定性,我们小组展示了另一种基于npr的锁模拉曼光纤激光器,对激光设计进行了一些改进,如图所示.首先,采用放大自发发射(ASE)泵源取代传统的光纤振荡泵。由于SRS是一种响应时间较快的非线性效应,因此泵浦激光器的时间特性将直接由其Stokes分量所继承。因此,时间稳定性较差的泵浦激光器会降低锁模拉曼光纤激光器的性能。与光纤振荡器相比,ASE源具有更低的强度波动,因此更适合作为锁模拉曼光纤激光器的泵浦。其次,在腔中嵌入一个全光纤廖特滤波器,触发耗散孤子(DS),这是一个更稳定的吸引子,比传统孤子[8]具有更高的脉冲能量。***,我们以一块拉曼增益系数高的70 m长光纤作为增益介质,缩短了空腔的长度。综合这些努力,激光器可以产生稳定的1120 nm拉曼脉冲,光谱带宽为5.8 nm。和脉冲持续时间为1.05ps,重复率为2.47MHz。其信噪比***可达85 dB。在射频频谱中测量,这表明与其他报道的工作相比,具有良好的时间稳定性。


基于ASE泵浦源的npr锁模拉曼耗散孤子光纤激光器的(a)方案。拉曼脉冲[38]的(b)谱、(c)射频谱和(d)自相关轨迹。


        然而,由于NPR的工作机制,非pm光纤在基于NPR的振荡器中通常是必要的,其性能对温度和湿度等环境变化很敏感。因此,NPR很少被认为是实现长期稳定的锁模的潜在候选者。虽然实现全pmNPR[48],但这种尝试在具有长光纤腔的拉曼激光器中实现。较差的长期稳定性限制了它们对许多应用的影响,并强烈激发了对产生长期稳定的锁模拉曼脉冲的替代方法的研究。

非线性光学回路镜

         NOLM是另一种人工SA,是一种可以实现全pm光纤结构的锁模的方法。NOLM通常是基于一个2×2的光纤耦合器。耦合器的两个臂连接起来形成一个光纤环镜。一旦激光束从输入端口输入光纤回路,它将被分成两个传播方向相反。当通过环镜传播时,它们会积累不同的非线性相移。非线性相移差与强度有关,因此会导致透射/反射作为光强的函数的变化。如果正确设计2×2光纤耦合器的耦合比和光纤回路的长度,激光脉冲比连续波光的透射率更高,振荡器更愿意在脉冲状态中工作。基于NOLM的锁模拉曼光纤激光器也已经被研究了几年的。例如,对一种基于NOLM的锁模拉曼光纤激光器进行了数值研究,并通过实验实现了。如图所示,NOLM由一个45/55的耦合器组成,其两端与727 m的HNLF环合在一起,以促进非线性相移差。泵浦为1435 nm的连续波激光器,耦合到2.4 km长的色散补偿光纤(拉曼增益介质)中,产生1534 nm的拉曼脉冲。激光可以产生光谱带宽为2.4 nm的抛物型拉曼脉冲。,脉冲持续时间为450ps(图。和脉冲能量高达22nJ。然而,这种基于NOLM的拉曼光纤激光器是用非pm光纤构建的,这在长期稳定性的意义上阻碍了NOLM比NPR的优先级。


非pm NOLM基锁模拉曼光纤激光器的(a)方案。拉曼脉冲的(b)光谱和(c)时间特征


       我们小组随后开发了***个基于全pm NOLM的锁模拉曼光纤激光器,如图所示。采用分裂比为20:80的PM光纤耦合器连接NOLM环和单向环。在单向环中,使用一个80 m长的PM拉曼光纤(OFS Optics Inc.)作为拉曼增益介质,并在空腔中嵌入一个全光纤的Lyot滤波器来触发DS溶液。为了提高脉冲间的稳定性,我们采用了一个1064 nm的低强度波动的ASE源作为泵浦。NOLM环由77米长的PM980纤维构成。由于PM光纤耦合器的大分裂比,与其他报道的工作相比,在NOLM光纤环要短得多的情况下,锁模操作可以自启动。该激光器可以产生稳定的1120 nm拉曼脉冲,光谱带宽为6.6 nm。脉冲持续时间为69 ps,重复频率为1.23MHz。其信噪比***可达85 dB。在射频频谱中测量,这表明具有良好的时间稳定性。由于全pm配置,锁模操作可以维护数周而不会降低性能。


基于PM NOLM的锁模拉曼耗散孤子光纤激光器的(a)方案。拉曼脉冲[42]的(b)谱、(c)射频谱和(d)自相关轨迹


        尽管取得了很大的进展,但锁模拉曼光纤激光器的性能目前仍无法与稀土掺杂的同类激光器相媲美。一个主要的挑战是如何缩短空腔体的长度。如表1所示,报告的锁模拉曼光纤激光器的重复率均小于3MHz,这意味着它们的空腔长度要么接近或大于100m。超快脉冲在这样长的光纤腔中传播会产生较大的色散和非线性,限制了脉冲能量,延长了脉冲持续时间,缩小了单脉冲运行的工作状态。然而,为了提供足够的拉曼增益,在连续波泵的条件下,需要长达几十米甚至几百米的光纤空腔。因此,用脉冲泵代替连续波泵可以在缩短腔长的同时保持足够的拉曼增益,获得更高性能拉曼脉冲的有效方案。

同步泵浦拉曼光纤激光器

      由于拉曼增益系数是与强度相关的,用脉冲泵浦代替连续波泵浦可以有效地提高拉曼转换效率,从而解决锁模拉曼光纤激光器的长光纤腔长度问题。然而,当泵浦被脉冲时,需要满足一个临界匹配条件才能实现共振增强,即脉冲泵浦的重复频率应与拉曼光纤腔的长度相匹配。如图所示,只有当满足这种同步时,产生的拉曼脉冲才能与泵浦协调,并在腔内连续获得非线性光学增益。因此,这种方法被称为同步泵送。


同步泵浦拉曼光纤激光器的工作原理。当泵浦被脉冲时,需要满足一个临界的匹配条件,即脉冲泵浦的重复频率应与拉曼光纤腔的长度相匹配


       在一些早期的工作中,研究人员倾向于将纳秒脉冲作为泵浦,以减少同步[57,58,59,60,61]的难度。然而,在如此长的泵浦脉冲持续时间下,很难实现几皮秒甚至飞秒拉曼脉冲。2014年报道了一项突破性的工作,其中拉曼DS通过yb掺杂锁模光纤激光器[51]与传统DS共生成。激光器的原理图如图所示.这种激光与传统激光的一个明显区别是,在空腔中插入了一条光纤延迟线,以补偿DS和拉曼脉冲的群速度之间的差异。如果没有延迟线,由于DS和拉曼脉冲之间的游走,所产生的拉曼分量不能被持续放大。这将导致具有三角形形状光谱的类噪声拉曼脉冲。9c)).通过应用一条延迟线作为拉曼反馈回路,它将被在腔内循环的DS同步放大。在同步条件下,噪声被消除,能量集中在明确的时间和光谱范围内.所产生的拉曼脉冲的频谱带宽为~10 nm,脉冲持续时间为~400 fs,重复频率为5MHz。


泵浦和拉曼脉冲共用同一腔的同步泵浦拉曼光纤激光器的(a)方案。(b)测量和(c)计算了泵浦和拉曼DS脉冲[51]的输出光谱


       在上述工作中,yb增益产生的DS和拉曼DS具有相同的光纤腔。受这项工作的启发,研究人员展示了一种高功率同步泵浦飞秒拉曼光纤激光器,通过分离拉曼光纤腔。在他们的演示中,一个4.7 m长的全pm光纤拉曼腔由由SESAM锁定的高功率皮秒光纤激光器泵浦。在锁模振荡器内拼接了一条PM光纤耦合变延迟线,以便与拉曼激光器腔进行同步。拉曼激光器能产生能量高达18nJ的高啁啾相干脉冲,平均功率为0.76 W,效率为88%。脉冲被一对传输光栅压缩到147fs。同时,还比较了有同步和没有同步的拉曼脉冲的性能。压缩前后的光谱、自相关轨迹的实验结果如图所示。相应的10b、c和d)。证明了同步条件是高相干拉曼脉冲产生的必要条件。如果泵浦和拉曼脉冲没有适当的时间对准,只能得到类噪声的拉曼脉冲。所报道的飞秒拉曼光纤激光器的整体性能与大多数稀土掺杂激光器相当,可以有效地满足许多潜在的应用需求。除此之外的工作,还报道了延迟线辅助同步泵浦拉曼光纤激光器使用磷酸硅酸盐光纤来增加拉曼频移[53,54]。虽然这些结果是有希望的,但延迟线的参与增加了系统的成本和复杂性。此外,拉曼光纤空腔的长度对环境温度的变化很敏感,这意味着需要对延迟线进行反馈控制,才能实现长期的同步。


带有延迟线的同步泵浦拉曼光纤激光器的(a)方案。(b)输出频谱。(c),压缩前后的(d)自相关轨迹


       除了延迟线之外,实现同步泵送的另一种方法是通过增益开关二极管。在这个概念中,可以通过调整控制二极管驱动器的电信号来连续调整二极管泵的重复频率。所演示的基于增益开关二极管的同步泵浦拉曼光纤激光器如图所示。.采用增益开关电路板驱动1066 nm分布反馈(DFB)激光二极管,使输出脉冲的脉冲持续时间和重复频率可以在较大范围内进行调谐。采用两个阶段的放大器将泵的平均功率放大到1.2W。然后将放大脉冲注入长度为~为10m的拉曼光纤腔中。当泵浦二极管的重复频率固定在12.41MHz时,得到同步条件,激光器可以产生稳定的拉曼脉冲,脉冲持续时间为78ps,如图所示。然而,所产生的拉曼脉冲并不是高度相干的,因此不能正确地解码。这是由于增益开关方式产生的泵浦脉冲的相干性差。因此,为了获得高相干的拉曼脉冲,增益开关二极管的技术需要进一步的发展和升级。然而,与锁模拉曼光纤激光器相比,本工作中报道的激光器在短增益光纤下可以实现高达80%的光转换效率,这充分突出了同步泵浦的优点。


带有增益开关二极管的同步泵浦拉曼光纤激光器的(a)方案。(b)拉曼脉冲的时间特征和(c)射频光谱


       这可以从表格中得出结论,考虑到目前技术水平,报道的同步泵浦拉曼光纤激光器的输出脉冲能量小于100nJ。提高同步泵浦拉曼光纤激光器输出脉冲能量的一个直接解决方法是增加泵浦脉冲能量。然而,当泵浦功率超过一定水平时,能量就会转化为高阶斯托克斯脉冲。因此,需要减小腔体长度,使非线性效应足以将能量限制在一阶斯托克斯脉冲内。这种尝试将破坏脉冲泵的重复率与拉曼光纤腔长度之间的同步条件。通过施加高脉冲能量和高重复率的脉冲泵浦,有望获得脉冲能量超过100 nJ的同步泵浦拉曼脉冲。然而,对泵的如此高的需求将增加整个系统的复杂性和成本。

上述同步泵送方法有一个共同问题:拉曼腔内光纤的长度和折射率随温湿度的变化而变化,导致泵浦与拉曼脉冲重复率不匹配,***终导致长期运行性能下降。为了解决这一问题,我们可以使用伺服系统进行反馈控制,并将泵浦脉冲的重复频率锁定到拉曼光纤腔的实时长度上。然而,主动控制单元的参与将大大增加系统的复杂性。

***近,演示了一种简化的被动解决方案来实现无伺服系统的长期同步。基于分布瑞利散射的方法原理和相应的激光装置如图所示。在激光器设计中,将一个皮秒脉冲泵浦激光器耦合到一块拉曼光纤中,产生拉曼脉冲。拉曼脉冲通过循环器注入长单模无源光纤中。沿光纤的瑞利散射将部分脉冲反射回腔内。由于瑞利散射沿光纤分布,反馈脉冲相互重叠,形成脉冲连续体。无论如何,泵浦脉冲会撞击脉冲连续体的一部分,***终导致实时自同步。生成的随机拉曼激光脉冲的自相关轨迹如图所示。c),这是一个类似噪声的脉冲,在一个宽的底座上有一个尖峰。自相关轨迹中基座的归一化高度大于0.5,并随着泵浦功率的增加而增大。d).这意味着激光器发射的类噪声拉曼脉冲是部分相干的,而这种相干增强与自同步过程有关。此外,还比较了有和没有瑞利散射反馈的拉曼脉冲在斜率效率和线宽方面的性能。这两个结果都强调了自同步过程的积极贡献。所报道的激光器代表了一种同步泵浦拉曼脉冲产生的新方案。


基于分布式瑞利散射的自同步拉曼光纤激光器的(a)原理。拉曼光纤激光器的(b)方案。(c)拉曼脉冲的自相关轨迹。(d)归一化自相关底座高度作为泵浦功率的函数

非线性光学增益调制

 就目前的技术成熟度而言,无论采用锁模或同步泵送,要在紧凑而简单的结构中产生具有高脉冲能量和短脉冲持续时间的超快拉曼脉冲仍然具有挑战性。因此,超快拉曼光纤激光器的影响在应用仍然有限。因此,开发一种优于旧技术的新技术具有重要的科学意义。

传统的方法大多是基于光纤振荡器来产生超快的拉曼脉冲。这就带来了诸如在连续波泵下涉及长拉曼增益光纤等问题;或脉冲泵下的同步困难。其想法是振荡器是否可以用单通放大器取代,以便在脉冲泵下不需要同步。在这方面,一些探索性工作已经报道。作为一个代表,我们对皮秒脉冲泵浦条件下的放大自发拉曼发射进行了详细的实验和数值研究。然而,由于自发发射光的相干性较差,产生的拉曼脉冲类似噪声,具有部分相干性,这意味着它们不能正确地解码为飞秒脉冲持续时间。

为了提高所产生的拉曼脉冲的相干性,一种有效的方法是用单频种子激光器代替自发的拉曼发射。在此基础上,我们小组提出了一种利用NOGM技术将单频连续波激光器转换为飞秒尺度拉曼脉冲的新方法。由NOGM产生超快拉曼脉冲的概念如图所示。13a).输入信号为单频连续波激光器,在一根光纤中进行时间和光谱的放大和重塑。光纤通过模拟拉曼散射提供非线性光学增益,由超快脉冲泵浦。超快泵浦激光器作为一种调制驱动器,可以提供一种超快非线性光增益调制来重塑连续波信号。在时域,连续波激光被重塑为脉冲激光;而在光谱域,对连续波激光器的单纵模进行调制,通过非线性光学效应产生新的光谱分量,形成频率梳的形状。所产生的拉曼脉冲的重复率,或梳状线间距,是由脉冲泵浦激光器***地决定的。


NOGM(a)原理;实验产生的NOGM拉曼脉冲的特性:(b)谱、(c)脉冲序列、(d)RF谱和(e)自相关轨迹


 在实验中,将一个1121 nm的单频激光器注入一个拉曼光纤放大器,该放大器由一个1064 nm的皮秒脉冲激光器泵浦。通过这种简单而紧凑的结构,该放大器可以在69.4%的光效率下产生稳定的、高相干的1121 nm拉曼脉冲,脉冲能量为25.7 nJ,脉冲宽度为436 fs。如图所示。13b),产生了一个10 dB带宽为9.5 nm的宽光谱,其中心波长与CW种子激光器对准。两个示波器轨迹(图。和射频光谱(图。13d)确认拉曼脉冲的重复率是由泵浦激光器***决定。射频频谱的信噪比为80 dB,表明其具有较高的脉冲对脉冲的稳定性。这种高稳定性直接继承了一个1064 nm全pm数字9泵浦激光[66]。NOGM激光器被打开并测试了几天,其性能保持高度一致。根据自相关测量结果(图。13e),拉曼脉冲具有高斯形状,测量的脉冲宽度为11.0ps,可以从外部解码到436fs。这证实了输出的拉曼脉冲是高度相干的。结果证明,高脉冲相干性是由单频种子激光器产生的。通过数值模拟表明,如果能增加脉冲泵浦的功率,则可以进一步将脉冲能量缩放到μJ能级。

为了填补掺杂稀土掺杂纤维发射带留下的所有光谱间隙,需要级联拉曼过程。***近,具有波长多样性的相干飞秒脉冲产生的级联NOGM也被证明是[67]。激光器的设置如图所示。14a).在演示中,将1121 nm和1178 nm的单频激光器都注入拉曼光纤放大器,该放大器由1064 nm皮秒脉冲激光器泵浦。NOGM过程在拉曼光纤放大器中将能量从1064到1121nm转移到1121nm,然后转移到1178nm。两级NOGM装置可以产生1178 nm的脉冲,脉冲能量为76nJ,10 dB的光谱带宽为10.6 nm。脉冲持续时间为621 fs。14c)下的光转换效率为65%。数值模拟结果表明,泵浦与不同阶斯托克斯脉冲之间的偏离效应是限制高阶斯托克斯脉冲性能的主要因素。这表明,通过设计具有适当拉曼光纤长度、泵浦脉冲能量和泵浦脉冲持续时间的NOGM放大器,可以在较高的转换效率和较短的脉冲持续时间下获得高脉冲能量和波长敏捷的飞秒脉冲。


级联NOGM拉曼光纤放大器的(a)方案。不同泵浦功率下的(b)光谱和二阶拉曼脉冲的(c)自相关轨迹


       NOGM方法比以前的方法具有性能优势。与锁模相比,NOGM不受长腔长度的限制,这促进了产生高脉冲能量和短脉冲持续时间的脉冲的能力。与同步泵浦相比,NOGM不需要在泵浦和拉曼脉冲之间进行严格的同步,这为产生高性能的超快脉冲提供了一种更简单的方法。此外,NOGM还可以产生具有脉冲能量可扩展性和波长可扩展性的拉曼脉冲,这是一种产生具有波长敏捷性的高能超快脉冲的高质量解决方案。这种激光源可以有效地促进超快拉曼光纤激光器的技术着陆和应用扩展。

结论与展望

       超快拉曼光纤激光器可以有效地扩展传统超快光纤激光器的波长范围,因此在工业和生物医学领域以及科学研究中具有广泛的应用前景,其中具有特殊波长的超快激光脉冲起着重要的作用。在生物医学应用方面,双光子激发荧光显微镜激发了开发1.3μm和1.7μm波长的飞秒源的大量研究工作。这两个波长都位于空白区,不能被***常用的稀土掺杂离子的发射带所覆盖。对于工业应用,特殊材料的加工,如陶瓷、玻璃和半导体晶圆,需要对演示具有特殊波长的高功率超快激光光源提出新的需求。在科学研究中,光频率梳(OFC)在过去的20年里推动了光学计量学的快速发展。特殊波长高能梳线OFC的发展将进一步促进OFC应用的扩展。在光纤通信方面,开发高质量、经济***的特殊波长超快激光器将把应用从常用的波段(c波段和l波段)扩展到其他发展中的波段,如u波段(1625-1675nm),从而有效地提高速度和带宽。

        总结了在脉冲能量和持续时间的意义上所报道的***有代表性的超快拉曼光纤激光器的性能。目前,锁模拉曼光纤激光器在脉冲能量和持续时间方面仍无法与稀土掺杂光纤激光器相比,这主要是因为在连续波泵浦条件下,需要长光纤才能提供足够的拉曼增益。在长光纤腔中产生的超快脉冲会产生较大的色散和非线性,限制了脉冲能量,延长了脉冲持续时间,缩小了单脉冲操作的工作状态。这是限制锁模拉曼光纤激光器在蓝色椭圆区性能的***关键的问题,如图中间部分所示。近年来,时空锁模和多模激光泵浦拉曼光纤激光器已被证明采用。这两种技术在其设计中都采用了分级指数纤维。因此,这两种技术的结合可以解决开放的科学问题,为具有较短腔的时空锁模拉曼光纤激光器铺平道路。


        对拉曼光纤激光器的脉冲能量和持续时间的总结,包括锁模(蓝色圆圈)、同步泵浦(橙色三角形)和NOGM(红色金刚石)。每个作品的相应参考编号都被标记在附近


       我们可以从图中看到。同步泵浦拉曼光纤激光器的性能中心在图的中顶部区域(橙色圆)。脉冲泵浦可以有效地解决腔长问题,从而实现飞秒脉冲运行。目前,基于延迟线的同步泵浦可以产生拉曼脉冲,其性能与传统的稀土掺杂超快光纤激光器相当快。然而,延迟线的参与增加了系统的成本和复杂性。使用增益开关二极管是实现同步的一种更简单的解决方案。然而,由于增益切换脉冲的相干性较差,只有类似噪声的拉曼脉冲被报道。一种潜在的优化方案是利用马米谢夫再生器来提高由增益开关二极管[71]产生的脉冲的相干性。只要增益切换脉冲的相干性与锁模振荡器产生的相干性相当,也可以产生与延迟线一样的高性能拉曼脉冲。

值得强调的是,锁模的和同步泵浦的拉曼光纤激光器都是基于振荡器的。因此,为了平衡光纤振荡器内部的色散、非线性、增益和损耗,将其常规输出脉冲能量限制在nJ水平上。与锁模和同步泵送方法相比,NOGM方法避免了振荡器结构,具有结构简单、稳定性长、脉冲能量高、脉冲持续时间短等优点。仿真结果表明,比参考文献中具有更高泵浦脉冲能量的NOGM可以产生几兆瓦峰值功率的飞秒拉曼脉冲。这意味着在全光纤NOGM结构下可以达到数个μJ的***脉冲能量。这将进一步推动NOGM脉冲的性能到图的右上角。这种高质量的超快激光源将有效地促进超快拉曼光纤激光器的应用扩展。未来对基于NOGM的频率梳技术的研究可能会在不久的将来进一步增强该技术的影响。NOGM的一个主要技术挑战是限制由级联设置中的色散导致的泵浦和拉曼脉冲之间的偏离效应。脉冲偏离不仅会降低转换效率,而且会导致脉冲形状不规则和非线性脉冲啁啾,***终阻止我们获得短脉冲持续时间的拉曼脉冲。这种偏离问题可以通过设计硅纤维的零色散窗口周围的泵浦波长和拉曼波长,或者在拉曼放大器中应用色散管理装置(分别具有正常和异常色散的两个光纤段)来消除。

超快拉曼光纤激光器的另一个未来挑战将是研究它们的脉冲动力学。与稀土掺杂超快光纤激光器相比,超快拉曼光纤激光器产生的光脉冲可能经历更复杂的动态过程的时间和光谱域,因为非线性效应在拉曼光纤激光器不仅加强,但还扮演着多种角色,如提供增益,扩大光谱和平衡色散的影响。虽然通过时拉伸色散傅里叶变换技术对稀土掺杂锁模激光器的脉冲动力学行为进行了广泛的研究,但不同锁模拉曼光纤激光器的时间和光谱动力学仍有待探索。在同步泵浦和NOGM方面,已有一些初步的理论研究报道,研究了泵浦和拉曼脉冲[之间的动态转换过程。然而,详细的数值模拟和实验研究有望更好地理解脉冲动力学,这可能促进系统优化。


超快拉曼光纤激光器:回顾与展望
超快拉曼光纤激光器已被证明是一种获得特殊波长超快光脉冲的有效方法。然而,与传统的稀土掺杂激光器相比,拉曼光纤激光器难以产生高脉冲能量和短脉冲持续时间的脉冲。在这里,我们回顾了三类超快拉曼光纤激光器技术,并详细讨论了每种技术的优势和挑战。在锁模方面,比较了不同的基于可饱和吸收体的光纤激光器,并讨论了它们因长腔长度而导致的常见问题。
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