超快光纤激光技术之二十二增益管理放大系统驱动的光纤飞秒OPCPA

2022-03-07 15:33

超快光纤激光器广泛应用在在材料加工、生物医学成像等领域，其中的多光子成像是一种常用的技术。然而，增益光纤的发射谱一般在1030 nm、1550 nm和1900 nm附近，不能有效地激发多光子成像中部分荧光区域。目前一般需要非线性波长转换产生这些光谱区域之外的超短脉冲，包括以下几种：孤子自频移（SSFS）、孤子自模式转换（SSMC）、自相位调制产生的光谱选择（SESS）、拉曼放大和光学参量放大。然而，所有这些系统都存在各种缺陷。

双折射通常用于二阶和三阶非线性过程。在双折射光纤中，可以实现泵浦光、信号光和闲频光的几种不同相位匹配。图 1为基于双折射光纤的OPCPA概念图，可以发现能量从光纤慢轴上的泵浦光转移到快轴上的信号光和闲频光。同时，对于常见的泵浦脉冲形状（高斯型）会导致增益窄化，这意味着需要使用非常宽带的泵浦脉冲才能产生宽光谱的信号光脉冲和闲频光脉冲。

图1：基于双折射光纤相位匹配的宽带光纤OPCPA概念图（a）能量从慢轴（绿色）泵浦脉冲转移到种子信号（蓝色）和闲频（红色）脉冲（b）相关的相位匹配图［1］

康奈尔大学的Frank W．Wise教授课题组以增益管理放大光纤激光（GMA）作为前端，使用OPCPA技术同时产生900 nm、1050 nm和1270 nm的超短脉冲，实验装置如图2所示。系统的第一部分是GMA的搭建，经过两级放大后可以产生光谱宽度135 nm、变换极限为20 fs的脉冲。

图2：实验装置图［1］

然后将一部分光进行压缩后耦合到5 cm双折射保偏光纤中，利用SPM产生更宽的光谱（如图3所示），滤出小于920 nm的光谱后，通过 10 cm的SF11玻璃，使啁啾与原GMA 的脉冲啁啾大致匹配。

种子信号光和泵浦光都是线偏振，分别用半波片旋转匹配保偏光纤的快慢轴，当种子光和泵浦光在8cm双折射保偏光纤中共同传播时，会产生1270nm的闲频光。

图3：通过SPM展宽GMA的脉冲生成种子。插图显示了用于播种 OPCPA 的连续谱的旁瓣［1］

如图4所示，蓝线为种子光被阻挡时，可以发现信号光和闲频光基本没有信号；当种子未被阻挡时，在 905 nm 和 1270 nm 处会出现放大的光谱成分。

图4：参数种子被阻挡和未阻挡时光纤OPCPA的输出光谱［1］

最后结果如图5所示，900nm的信号光可压缩至71 fs，脉冲能量26nJ；1270nm的闲频光可压缩至 63 fs，脉冲能量20nJ；GMA输出的1050nm的泵浦光可压缩至 26 fs。由于使用光栅对补偿二阶色散，脉冲会出现一些时间结构。

图5：信号光、GMA和闲频光脉冲（a）、（c）、（e）三个脉冲的频谱；（b）、（d）、（f）是对应的脉冲［1］

总之，Wise教授课题组报告了宽带双折射光纤 OPCPA 的实验结果，后期可以通过增加光纤的模场面积来提高输出能量，同时因为该系统产生的三个脉冲是同步的，因此可用于双光子显微镜以及时间分辨光谱学。

参考文献：

［1］ Buttolph， Michael L．， et al．＂Femtosecond optical parametric chirped－pulse amplification in birefringent step－index fiber．＂ Optics Letters 47．3 （2022）： 545－548．

原文标题 : 超快光纤激光技术之二十二增益管理放大系统驱动的光纤飞秒OPCPA