光纤飞秒激光的非线性频率变换

      天津大学胡明列教授课题组在2018年第4期发表了“光纤飞秒激光泵浦的非线性光学频率变换研究进展”一文,该文章综述了该课题组近五年来的科研成果,分别介绍了OPO技术、砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换和基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生技术的基本原理、研究进展以及前沿应用。

飞秒激光具有脉冲宽度极短,峰值功率极高和光谱范围极宽等特点,满足了诸如激光精密测距、激光与物质相互作用、高分辨率光谱学以及激光雷达等应用对脉冲宽度和峰值功率的需求。但由于受到增益介质发射谱线的限制,其输出激光波长通常被限定在几个离散的区域或仅仅能在某一光谱区域内进行小范围的调谐,不能满足人们对多波段飞秒激光和连续可调谐飞秒激光的广泛需求。

因此,不断扩充飞秒激光的波长范围,使飞秒激光“多姿多彩”就成为飞秒激光技术研究的重要课题,而实现该目标的“利器”就是非线性频率变换。

然而,这个“利器”不能“一蹴而就”,而是需要合适的“组装”条件,比如:较强的飞秒激光源、高效的非线性介质和满足频率变换的匹配条件。近年来,国内、外在新型飞秒激光源和非线性材料研究方面都取得了长足的进步,而将不同类型、不同波长的飞秒激光源与各种新型非线性材料相结合,就促进了非线性频率变换技术的发展与创新,从而使得飞秒激光的“色彩”更加丰富,应用更加广泛。目前,利用非线性频率变换技术,飞秒激光波长已经可以覆盖从真空紫外到中红外光谱范围,甚至可以延伸到软x射线及太赫兹波段。

通常,用于非线性频率变换的飞秒激光泵浦源有固体激光器和光纤激光器两种。

但是由于受固体激光器热效应的影响,需要水冷等控温装置,使得该类激光器体积庞大,光路复杂,而且该类激光器输出的平均功率较低。

相比于固体飞秒激光器,光纤飞秒激光器具有输出模式好、稳定性高、成本低、结构紧凑、操作简单、散热性能良好等优势。而且,采用大模场面积光纤/PCF可以克服普通光纤中由激光功率密度过高引起的非线性效应对高功率运转的限制,能够实现高平均功率和高脉冲能量的飞秒激光输出。

因此,大模场面积光纤/PCF飞秒激光器是非线性频率变换的良好泵源。近五年来,天津大学超快激光研究室成功研制多种基于光纤/PCF的高平均功率和高峰值功率的飞秒激光系统,并将其应用于几种不同类型非线性材料的频率变换,取得了多项研究成果。

基于块状晶体的非线性频率变换-光学参量振荡技术(OPO)

OPO是利用非线性晶体的混频特性实现频率变换的器件,是目前最典型的输出波长连续可调谐的激光光源,具有调谐范围宽、转换效率高、结构简单及工作可靠等特点。

OPO 装置主要包括泵浦源、谐振腔以及非线性晶体三个部分。对于泵浦源来说,光纤飞秒激光器同时具有高平均功率和高脉冲能量的特点,使其成为同步泵浦飞秒OPO的优选泵浦源。近年来,将二者结合起来以实现高功率、高重频、高脉冲能量和质量的OPO,已受到科研工作者的广泛关注和使用。

2013年,顾澄琳等人研制了PCF飞秒激光器泵浦MgO:PPLN-OPO,结合腔内和频、倍频技术,获得了可见光至近红外激光输出,至今,该OPO系统仍保持国际上光纤飞秒激光泵浦OPO可见光波段范围输出平均功率的最高水平。

2015年,顾澄琳等人优化腔型,利用泵浦激光的倍频光和信号光进行腔内和频,获得可调谐紫外激光输出。这是国际上首次利用光纤飞秒激光器泵浦OPO产生可调谐紫外激光脉冲,同时截至目前,其输出功率仍为国际上紫外波段达到的最高水平。

基于PCF飞秒激光泵浦MgO:PPLN-OPO具备高平均输出功率、宽调谐范围等优点,其输出光谱范围可以覆盖从紫外、可见到中红外波段,输出平均功率达数百毫瓦,其输出激光可以广泛应用于纳米线发光特性研究、生物成像、显微光谱学、光学频率梳等领域。


1.基于MgO:PPLN光学参量振荡器可调谐紫外激光产生实验装置

LBO作为一种性能优良的非线性光学晶体,在0.16-3.2μm光谱范围内具有良好的透射性,光学损伤阈值较高和非线性系数适中等特点。

2016年,范锦涛等人采用大模场面积PCF激光器的倍频光(520 nm)泵浦LBO-OPO,同时结合腔内倍频、和频技术,获得紫外(330 nm)到可见光波段可调谐飞秒激光输出。该OPO系统作为国际上首个利用光纤飞秒激光器泵浦LBO-OPO并结合腔内倍频产生可调谐紫外光源的装置,其结构紧凑实用,输出功率较高,为诸如生物成像、大气探测等领域提供了一个良好的激光源。


2. 宽调谐紫外波段OPO实验装置

此外,双波长运转OPO是光谱计量、相干脉冲合成及太赫兹或中红外产生等应用领域的所需光源,因此一直受到科研人员的广泛关注和研究。

顾澄琳等人在LBO-OPO研究中,提出并实验验证了一种新型OPO腔结构,更加容易实现飞秒激光泵浦OPO的双波长运转和独立可调谐。


3. 基于LBO晶体双波长运转光学参量振荡器实验装置

基于半导体纳米线材料的非线性频率变换-砷化镓纳米线频率上转换

在半导体纳米线的光学特性研究方面,特别是当它与强场脉冲相互作用时会产生场增强效应。因此,其具有较高的光吸收效率,同时具备较高的非线性转换效率,是实现频率上转换的新型材料之一。而飞秒激光具有极高的峰值功率,采用飞秒激光作为激发光源时,半导体纳米线材料的非线性效应会得到显著增强,进而能够产生更加丰富的频率变换信号。

GaAs纳米线属于非中心对称结构材料,各向同性,具有较高的电子迁移率、非线性系数和光损伤阈值,禁带宽度为1.42 eV,其光响应波段位于可见光和近红外区域,在光电器件、光通信等领域的应用十分广泛。

基于该纳米线的飞秒激光泵浦频率变换研究,贺号等人在2013年,利用PCF飞秒超连续激光激发GaAs纳米线,实现了超宽带的倍频光产生。

2014年,张晓青等人采用光纤飞秒激光泵浦的OPO(1400nm-1800nm)和基频的1048nm飞秒激光的共同激发GaAs纳米线实现了宽谱和频(SFG)信号及其宽带可调谐输出。结果表明在GaAs纳米线上的SFG信号是高度敏感于激发激光的偏振、波长和脉宽。

2017年,中山大学Wang Jing等人又对单根GaAs纳米线中的SHG产生进行了实验研究。实验结论表明GaAs纳米线产生的宽带SHG信号的转换效率较高,且信号强度比块状GaAs材料产生的信号高三个数量级。

因此GaAs纳米线是微纳光电子应用中潜在的混频候选材料,是纳米级光电子领域极具潜力的宽带光学非线性转换器。这方面的工作对于纳米线非线性光学性质的理论研究,以及纳米光电器件集成、数据传输、纳米传感器等众多领域的应用研究都具有重要意义。

基于高非线性光子晶体光纤的非线性频率变换-超连续光谱产生

超连续谱(Supercontinuum,SC)是强激光作用于非线性介质的时,通过一系列非线性效应的相互作用,使其频谱得到强烈展宽的物理现象。

由于在SC产生中是多种非线性效应共同作用和相互影响的复杂过程,因此采用不同的泵浦源、不同的泵浦色散域和不同介质(形态)所产生SC的机理、带宽和特性都明显不同。而光纤/PCF激光源同时具备高平均功率和高峰值的特点,是实现小型化高功率SC的有力工具。从作为SC产生的非线性光纤介质来看,PCF(微结构光纤)是采用微结构围绕纤芯的设计,这种光纤结构既具有零色散点位置、色散曲线斜率、高非线性、无截止单模等特性的工程化可控,可以适用于现有各种激光源的波段的优势;又具有较大的有效模场面积,能够承受较大的泵浦功率或能量的特点。因此,自从1996年PCF发明以来,迅速成为非线性频率变换以及激光领域中研究和应用的新热点。

采用光纤飞秒激光激发PCF(微结构光纤)产生SC的主要目标是:获得宽带宽、多平坦、少抖动、低噪声、高相干的SC谱,并实现高功率、小型化的SC源。这方面的主要进展在以下几个方面:

(1)飞秒红外-中红外SC产生;

(2)基于光纤飞秒激光的倍频程SC谱及频率梳研究;

(3)基于光纤飞秒激光激发悬浮芯型PCF产生SC;

(4)飞秒SC产生的机理研究。在光纤飞秒激光激发PCF产生SC方面,超快激光研究室近年来的主要进展围绕基于全固态带隙型PCF产生SC谱和基于多芯PCF的SC产生两个方面。

全固态带隙型PCF(AS-BPGF)的包层由周期性排列的高折射率棒组成,纤芯为熔石英,其二维周期性结构的抗共振反射形成了限光的带隙。

2012年方晓惠等报道了采用PCF飞秒放大器输出脉冲激发1 m长的AS-BPGF,实现全PCF的SC源,并通过带隙作用实现双波段SC运转和带内可调谐。

2014年,黄莉莉等人利用大模场面积掺镱PCF飞秒激光放大系统输出脉冲激发AS-BPGF,发现在不同带隙间的都可以实现SC产生。这种跨带隙SC产生现象能够用拉曼孤子扰动产生的切伦科夫辐射以及高阶模的色散波之间的相位匹配条件解释。

多芯PCF作为一种特殊的HNL-PCF,同时具有高非线性、大模场面积和纤芯耦合效应等优势,能够降低高功率传输时的热效应及激光损伤等因素的影响,从而有效提高超连续光源的输出功率。

方晓惠等人在2012年报道了自行设计和华中科技大学拉制的七芯HNL-PCF,采用大模场面积掺Yb3+-PCF飞秒激光注入该光纤,通过多芯间的倏逝波耦合可以产生高功率的基模超连续谱。在20m长的MC-PCF中注入11W的飞秒激光获得了5.4 W的高功率超连续谱,波长覆盖500-1700 nm范围。这是当时国际上飞秒激光在PCF中能够产生一个倍频程超连续谱的最高功率。

光纤飞秒产生SC的研究与整个SC研究的发展方向一致,即向着更宽和更平坦的谱带、更稳定、高相干性、低噪声、高功率(能量)和高光束质量和小型化的方向发展。今后的主研究重点在于:

(1)飞秒中红外SC源的研究与实用化;

(2)获得稳定的低噪声、高相干性和宽平坦谱带SC产生关键技术和功能器件;

(3)SC源在高分辨显微成像和光谱仪、计量、极限脉冲产生的应用等。

总结与展望

目前,非线性频率变换技术是获得多波长和可调谐飞秒激光的最简捷有效的途径。

而光纤/PCF飞秒激光系统具有高重复频率,窄脉冲宽度,高峰值功率和平均功率等特点,已经成为各类非线性光学频率变换的理想泵浦源。

基于光纤/PCF飞秒放大激光器泵浦的OPO、纳米线和PCF(微结构光纤)是获得从紫外到红外波段可调谐激光有效手段。再结合腔内或腔外和频、倍频及差频等技术可将频率覆盖范围拓展到深紫外至远红外甚至到太赫兹波段,为其他科学研究和工业应用提供有力的工具。

随着光纤飞秒激光技术的发展和优化,新型非线性频率变换材料的研发和技术创新,我们相信基于光纤/PCF飞秒激光系统的非线性光学频率变换技术必将得到持续发展和广泛应用。