超快光学参量振荡器(OPOs)是获得高重复频率、高平均功率、宽光谱调谐脉冲输出的理想途径,为化学、生物、纳米光子学等领域的研究提供了强有力的手段。随着掺Yb ³⁺光纤飞秒激光器输出功率的不断提升及非线性晶体制备工艺的成熟,Yb光纤激光器泵浦的飞秒OPOs发展势头变得锐不可挡。回顾了近年来光纤飞秒激光器泵浦的OPOs的研究进展,介绍了利用飞秒OPOs拓宽波长覆盖范围、提升脉冲重复频率、获得少周期脉冲产生、实现结构光场输出的具体技术方案。最后介绍了飞秒OPOs在纳米光子学、拉曼光谱技术领域的应用。

飞秒光纤激光器具有良好的光束质量与稳定性,被广泛应用于精细材料加工行业。目前工业化光纤飞秒激光器主要是通过啁啾脉冲放大系统的多级放大来实现其高功率,可是多级放大过程会导致严重的增益窄化效应,限制最终的压缩脉冲宽度。为了解决增益窄化问题,缩短脉冲宽度,提高峰值功率,达到更好的“冷”加工效果,提出一种基于空间光调制器的光谱整形系统,通过加载到空间光调制器上的灰度图,产生中心凹陷、平顶等特殊光谱形状,放大后的光谱宽度与初始的种子源保持一致。与未加光谱调制相比,光谱调制后的光谱宽度从7 nm提高到9.5 nm,对应的极限脉宽从222 fs减少到164 fs左右。最后通过透射式光栅对压缩,得到了平均功率为1.3 W的飞秒激光输出,采用高斯拟合的方式测量脉冲,脉冲宽度为170 fs,接近转换极限脉冲。

自主研制了基于掺铒光纤飞秒激光技术的光纤飞秒光学频率梳。详细介绍了此光纤光梳的系统结构、工作过程与各项性能参数。经过功率放大、色散优化与高非线性光纤扩谱等过程, 得到了超过一个倍频程的光梳超连续光谱。光梳的载波包络偏移频率(简称偏频, fo)从f-2f共线式干涉系统中提取, 并锁定至铷原子钟上。实验获得了35 dB信噪比的偏频信号, 实现了锁定时间超过12 h的稳定运转。

研究了两台独立运转的掺镱光纤飞秒激光器的脉冲序列与载波包络相位同步。使用平衡光学互相关的方法探测两台激光器的脉冲延迟，控制腔内高速压电陶瓷以锁定两台激光器的重复频率，得到两台激光器的剩余相对时间抖动为380 as。不同的重复频率锁定带宽会对载波包络相位信号产生明显的影响，相比于使用压电陶瓷（低锁定带宽），使用电光调制器锁定重复频率（高锁定带宽）会使载波包络相位产生额外的噪声。将两台激光器的输出脉冲在空间上重合，入射进入平衡探测器，探测到两台激光器的相对载波包络频率信号。使用腔外声光调制器对两台激光器的载波包络相位进行锁定，得到两台激光器的剩余相位噪声为495 mrad。锁定后观测到两激光器的光谱干涉，为相干脉冲合成奠定基础。

三硼酸锂（LBO）具有良好的非线性光学特性和极其稳定的物化性能，其色散量对晶体温度变化敏感，是可实现非临界相位匹配的优良的非线性光学晶体。报道了高功率绿光飞秒激光同步抽运以三硼酸锂（LBO）为非线性晶体的单共振光学参量振荡器（OPO）。抽运源为高平均功率大模场面积掺镱光子晶体光纤飞秒激光器放大级的输出飞秒光的锁模倍频激光，通过调节晶体温度，采用非临界相位匹配方式，获得了红光至近红外光可调谐的高功率飞秒激光，OPO的信号光调谐范围为670~880 nm，相应闲频光在2320~1270 nm范围内可调。在3.4 W抽运功率下，中心波长为694 nm的信号光输出获得最高平均功率为660 mW，脉冲宽度为132 fs，转换效率为19.4%。

小型化、低成本和低噪声的激光器有助于实用化非经典光源的实现。掺镱光子晶体光纤锁模激光器与钛宝石激光器相比，具有系统结构简单、体积小和价格低的优点，但其噪声特性还有待深入研究。采用一套适用于测量脉冲激光器噪声的自零拍探测系统，对掺镱光子晶体光纤飞秒激光器的噪声进行了测量分析。结果表明掺镱光子晶体光纤飞秒激光器的振幅噪声显著高于其散粒噪声基准，说明该激光器的输出不是理想的相干态光场，其噪声特性有待进一步提高。

利用50 MHz和1 MHz的重复频率光子晶体光纤飞秒激光分别在45#钢表面产生了微浮雕结构。实验发现微浮雕结构的高度和宽度与入射激光功率、激光扫描速度以及脉冲重复频率有关。通过调整这些参数, 可以实现对微浮雕形态结构的精确控制。对微浮雕结构的产生机制进行了初步分析, 发现微浮雕结构的产生与高重复频率飞秒激光的热积累效应有关。热积累导致了45#钢的表面熔化, 在液体表面张力和温度梯度力共同作用下, 产生了微浮雕结构。