多参数可调谐的超快光纤激光器推动了许多飞秒生医光子学新兴领域的发展。由于固态超快激光难以在保证输出脉冲能量的情况下独立调节中心波长、重复频率和脉冲宽度三个参数，飞秒生医光子学通常采用脉冲选单的光纤啁啾脉冲放大器(pp-FCPA)配合光参量放大器(OPA)作为驱动光源。但是，OPA庞杂的空间组件极大影响了系统的光束质量和环境抗干扰能力，繁复的日常维护也超过了生命科学工作者的知识范围。因此，为了替代OPA技术，发挥pp-FCPA系统的优势，作者开发出了一种基于超连续产生的波长可调谐飞秒光源[1]。
图1 超连续产生的三种方式 [1]
图1展示了产生超连续谱的三种常见方法。方法1采用全光纤熔接的架构，具有最为紧凑的结构和优异的环境稳定性，但光纤中传输的多为皮秒激光，常见于商用激光器。方法2则将具有光纤端帽和模式扩展的商用封闭装置作为钛蓝宝石振荡器附加的非线性波长转换器，支持飞秒脉冲的波长转换。方法3类似于方法2，但结合了具有光纤优势的pp-FPCA前端，通过将高能量的飞秒脉冲耦合到一段光子晶体光纤中以产生相干超连续谱。作者于本文中采用的正是第三种方法。
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然而，实验发现用于超连续产生的光纤通常在累积运行约100小时后损坏。不可逆的光损伤极大限制了超连续光源的使用寿命。因此，很有必要确定这种光损伤的原理以寻求规避的手段。如果光损伤是由非超净间环境中的空气污染物和/或光纤端面高峰值功率的空间耦合引起，则可通过商用的光子晶体光纤端帽或塌陷光纤端面特定的孔隙来解决。
表1 超连续产生的三种实验方案[1]
表1列出了作者研究光纤损伤机制的三种实验方案。方案1将中心波长1030 nm、重复频率10 MHz、脉冲宽度280 fs的输入脉冲耦合到一段25 cm的LMA-PM-15光纤中，经反复实验，均发现光纤在累积工作100±40小时后损坏。方案2采用了不同的驱动光源和光子晶体光纤，但耦合到光纤端面的峰值功率密度与方案1保持一致。然而，方案2却在10±2小时内就会出现光损伤。这两种方案的光损伤所发生的位置不同：方案1的光损伤位于距光纤入射端<10 cm的位置，而方案2的光损伤则位于距光纤入射端<1 cm的位置。这种差异说明光纤损伤的原因并非环境中的空气污染物或耦合时的高峰值功率密度，无法通过光纤端帽来避免光损伤。经分析，这种光纤损伤可以用长周期光纤光栅(LPFG)的光波导理论解释。当脉冲耦合到光纤中时，一部分能量进入纤芯，而另一部分能量传入包层。当纤芯模式和包层模式的光相互干涉并产生驻波，即在光纤中写入了LPFG。LPFG的周期越短，相同光纤长度中包含的周期越多，光纤越容易损坏。
为验证这一观点，作者在方案3中选用了模场直径达32 μm的LMA-PM-40-FUD光纤。经计算，其LPFG周期约为9 cm，9 cm的光纤长度不足一个周期，因此，理论上由LPFG导致的光纤损伤效应将消失。实验上，方案3的光学系统也的确在累计运行2000小时后，依然保持稳定。
图2 基于光纤非线性转换器的多参数可调谐飞秒光源示意图 [1]
图2表示作者基于方案3所搭建的多参数可调谐飞秒光源。整个光源由一个重复频率于1-10 MHz可调的pp-FCPA系统作为前端，避免了LPFG所致光损伤的光子晶体光纤作为产生超连续谱的单元，即光纤非线性转换器(FNWC)。光谱展宽后脉冲被导入可编程的脉冲整形器。通过选择特定的滤波窗口和色散补偿量，中心波长可在950-1110 nm调谐，脉冲宽度可在40-400 fs内调谐。此外，最终输出的脉冲还可以用一段低色散的Kagome空芯光纤跳线传输，允许此光源在不同的应用模块之间轻松切换。
综上所述，作者为飞秒光纤激光器开发了一种可靠的重频、波长、脉宽均可大幅调谐的配件，解释并抑制了耦合光纤系统中的光损伤，其相应的集成激光系统具有高度的稳定性，有望拓宽可调谐超快激光在生物和医学领域中的应用。
参考文献：
[1] Wang G, Tu H. Fiber-optic nonlinear wavelength converter for adaptive femtosecond biophotonics[J]. arXiv preprint arXiv:2305.08266, 2023.
原文标题:超快光纤激光技术之三十六 面向生医光子学应用的光纤非线性波长转换
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