首款可见光波长飞秒光纤激光器研制成功

研究人员开发出了第一台可以在电磁波谱可见光范围内产生飞秒脉冲的光纤激光器。 图片来源：Jérôme Lapointe

克服光纤激光器开发中的挑战

从历史上看，实现可见飞秒脉冲需要复杂且本质上低效的设置。 尽管光纤激光器由于其坚固性/可靠性、占地面积小、效率高、成本低和亮度高而成为一种非常有前途的替代方案，但到目前为止，还不可能产生持续时间为飞秒（10-15 s) 直接使用此类激光器进行测距。

加拿大拉瓦尔大学研究团队负责人 Réal Vallée 表示：“我们在可见光谱中演示的飞秒光纤激光器为新型可靠、高效和紧凑的超快激光器铺平了道路。”

新型光纤激光器的技术细节

研究人员在 Optica 出版集团的《光学快报》杂志上描述了他们的新型激光器，该激光器基于稀土掺杂氟化物光纤。 该激光器发射波长为 635 nm 的红光，可实现持续时间为 168 fs、峰值功率为 0.73 kW、重复率为 137 MHz 的压缩脉冲。 使用商用蓝色激光二极管作为光源或泵浦源，有助于使整体设计坚固、紧凑且经济高效。

研究小组成员包括 Réal Vallée、Marie-Pier Lord、Michel Olivier 以及未在合影中的 Martin Bernier。 图片来源：Jérôme Lapointe

参与该项目的博士生 Marie-Pier Lord 表示：“如果在不久的将来能够实现更高的能量和功率，许多应用都可以从这种类型的激光器中受益。潜在的应用包括高精度、高质量的生物组织消融和双光子激发显微镜。 飞秒激光脉冲还允许在材料加工过程中进行冷烧蚀，这一过程可以[比长脉冲]进行更干净的切割，因为它不会产生热效应。”

扩展光纤激光器的光谱范围

在光纤激光器中，掺杂稀土元素的光纤充当激光介质。 尽管光纤激光器是最简单、坚固且可靠的高亮度激光系统之一，但石英光纤的使用往往将其限制在近红外光谱区域。 Vallée 的团队一直致力于通过使用由氟化物而不是二氧化硅制成的光纤来扩展这些激光源的光谱范围。

“我们之前专注于开发中红外光纤激光器，但最近对可见光纤激光器产生了兴趣，”洛德说。“虽然此类激光器缺乏紧凑高效的泵浦源，长期以来阻碍了其发展，但最近出现的蓝色光谱半导体激光源为高效可见光纤激光器的开发提供了关键技术。”

在展示了连续发射可见波长的光纤激光器后，研究人员希望将这一进展扩展到超快脉冲源。 得益于氟化物光纤制造工艺的改进，现在可以获得镧系元素掺杂光纤，其特性对于开发高效可见光纤激光器至关重要。

创新和未来方向

Vallée 团队开发的新型脉冲光纤激光器将稀土掺杂氟化物光纤与商用蓝色二极管泵浦激光器相结合。 为了产生和维持脉冲输出，研究人员还必须弄清楚如何仔细管理光纤中的光偏振。

“开发新波长的激光器，其中光学元件的材料特性与以前使用的不同，有时可能会很棘手，”合著者米歇尔·奥利维尔（Michel Olivier）说。 “然而，我们的实验表明，我们的激光器的性能与我们的模拟非常吻合。 这证实了该系统表现良好且易于理解，并且该系统的重要参数已正确表征并且非常适合脉冲激光器，尤其是我们使用的光纤的特性。”

接下来，研究人员希望通过使装置完全一体化来改进技术，这意味着各个光纤尾纤光学元件将直接相互粘合。 这将减少装置的光学损耗，提高效率，并使激光器更加可靠、紧凑和坚固。 他们还在研究提高激光器脉冲能量、脉冲持续时间和平均功率的不同途径。