首款可見光波長飛秒光纖激光器研制成功

技術進步為生物醫學應用等領域可靠、緊湊的超快激光器奠定了基礎。研究人員最近開發出了第一款能夠在電磁波譜可見光范圍內產生飛秒脈沖的光纖激光器。 這一進步為各種生物醫學和材料加工應用帶來了潛力。 這些激光器的獨特之處在于它們能夠產生超短、明亮的可見波長脈沖，這是激光技術的重大進步。

首款可見光波長飛秒光纖激光器研制成功

研究人員開發出了第一臺可以在電磁波譜可見光范圍內產生飛秒脈沖的光纖激光器。 圖片來源：Jér?me Lapointe

克服光纖激光器開發中的挑戰

從歷史上看，實現可見飛秒脈沖需要復雜且本質上低效的設置。 盡管光纖激光器由于其堅固性/可靠性、占地面積小、效率高、成本低和亮度高而成為一種非常有前途的替代方案，但到目前為止，還不可能產生持續時間為飛秒（10-15 fs) 直接使用此類激光器進行測距。

加拿大拉瓦爾大學研究團隊負責人 Réal Vallée 表示：“我們在可見光譜中演示的飛秒光纖激光器為新型可靠、高效和緊湊的超快激光器鋪平了道路。”

新型光纖激光器的技術細節

研究人員在 Optica 出版集團的《光學快報》雜志上描述了他們的新型激光器，該激光器基于稀土摻雜氟化物光纖。 該激光器發射波長為 635 nm 的紅光，可實現持續時間為 168 fs、峰值功率為 0.73 kW、重復率為 137 MHz 的壓縮脈沖。 使用商用藍色激光二極管作為光源或泵浦源，有助于使整體設計堅固、緊湊且經濟高效。

首款可見光波長飛秒光纖激光器研制成功

研究小組成員包括 Réal Vallée、Marie-Pier Lord、Michel Olivier 以及未在合影中的 Martin Bernier。 圖片來源：Jér?me Lapointe

參與該項目的博士生 Marie-Pier Lord 表示：“如果在不久的將來能夠實現更高的能量和功率，許多應用都可以從這種類型的激光器中受益。潛在的應用包括高精度、高質量的生物組織消融和雙光子激發顯微鏡。 飛秒激光脈沖還允許在材料加工過程中進行冷燒蝕，這一過程可以[比長脈沖]進行更干凈的切割，因為它不會產生熱效應。”

擴展光纖激光器的光譜范圍

在光纖激光器中，摻雜稀土元素的光纖充當激光介質。 盡管光纖激光器是最簡單、堅固且可靠的高亮度激光系統之一，但石英光纖的使用往往將其限制在近紅外光譜區域。 Vallée 的團隊一直致力于通過使用由氟化物而不是二氧化硅制成的光纖來擴展這些激光源的光譜范圍。

“我們之前專注于開發中紅外光纖激光器，但最近對可見光纖激光器產生了興趣，”洛德說。“雖然此類激光器缺乏緊湊高效的泵浦源，長期以來阻礙了其發展，但最近出現的藍色光譜半導體激光源為高效可見光纖激光器的開發提供了關鍵技術。”

在展示了連續發射可見波長的光纖激光器后，研究人員希望將這一進展擴展到超快脈沖源。 得益于氟化物光纖制造工藝的改進，現在可以獲得鑭系元素摻雜光纖，其特性對于開發高效可見光纖激光器至關重要。

創新和未來方向

Vallée 團隊開發的新型脈沖光纖激光器將稀土摻雜氟化物光纖與商用藍色二極管泵浦激光器相結合。 為了產生和維持脈沖輸出，研究人員還必須弄清楚如何仔細管理光纖中的光偏振。

“開發新波長的激光器，其中光學元件的材料特性與以前使用的不同，有時可能會很棘手，”合著者米歇爾·奧利維爾（Michel Olivier）說。 “然而，我們的實驗表明，我們的激光器的性能與我們的模擬非常吻合。 這證實了該系統表現良好且易于理解，并且該系統的重要參數已正確表征并且非常適合脈沖激光器，尤其是我們使用的光纖的特性。”

接下來，研究人員希望通過使裝置完全一體化來改進技術，這意味著各個光纖尾纖光學元件將直接相互粘合。 這將減少裝置的光學損耗，提高效率，并使激光器更加可靠、緊湊和堅固。 他們還在研究提高激光器脈沖能量、脈沖持續時間和平均功率的不同途徑。