常规掺杂类光纤激光器的输出波长一般比较固定,难以得到900nm和1300nm波长附近能够用于非线性生物及分子成像所需的可调谐飞秒脉冲激光。因此在很长一段时间内,上述波段的可调谐超短脉冲激光一直由钛宝石振荡器或固态的参量振荡器主导。不过,随着光纤制造技术和非线性光纤光学技术的发展,利用光纤激光频率转换方法得到上述波段超短脉冲激光的技术也越来越多。最常见的技术包括:超连续谱产生(SCG),孤子自频移(SSFS),SPM光谱展宽滤波技术(SESS)和四波混频(FWM)。

图1 基于光纤的光参量振荡器[1]

2015年德国耶拿Andreas Tünnermann组创新性地提出了一种基于光纤中兼并四波混频效应的光参量振荡器结构[1]。实验装置如图1 所示,作者利用一个重频780kHz,中心波长1040nm,脉冲能量为 2．5uJ,脉宽为60ps的窄带掺镱光纤激光系统作为泵浦光,泵浦长为11．5cm的光子晶体光纤,满足相位匹配条件后可以产生波长约为900nm的信号光和波长约为1250nm的闲散光,将一部分闲散光耦合进250m长的延迟光纤中实现与泵浦重复频率匹配以及时域脉冲展宽。通过改变空间延迟线,控制时域上闲散光和泵浦光重叠的区域,实现闲散光波长调谐,如图2右图所示,调谐范围在1200nm到1300nm。另外,如图2左图所示,通过改变泵浦脉冲能量,可以实现不同光谱宽度的闲散光输出。

图2 闲散光光谱随泵浦脉冲能量(左)和空间延迟线(右)的演化[1]

当泵浦脉冲能量为640nJ,闲散光的反馈效率为0．1%时,可以得到光谱最宽为6．7nm的闲散光输出,脉冲能量为30．8nJ,光栅对压缩后脉冲能量为12．3nJ,对应的压缩效率约为40%。测得压缩后的强度自相关曲线如图3上半部分右图所示,对应的脉冲宽度为800fs,但是三阶色散的存在导致脉冲有较大的基座。为了得到实际的脉冲宽度,作者利用输出光谱作傅里叶变换得到其时域上的脉冲,考虑延迟光纤带来的三阶色散后得到实际脉冲宽度为560fs。

图3 实验(上半部分)和模拟(下半部分)得到的光谱(左)和自相关曲线(右)[1]

为了得到更高脉冲能量的闲散光输出,作者发现通过增加泵浦脉冲能量的同时缩短光子晶体光纤的长度实现。当泵浦脉冲能量增加至2．3uJ,光子晶体光纤的长度缩短至6cm时,可以得到脉冲能量最高为250nJ,中心波长为1250nm的闲散光,输出光谱如图4左图所示,此时光谱宽度为4．7nm,光栅对压缩后的强度自相关曲线如图4右图所示,对应的脉冲宽度为1．6ps,考虑三阶色散后实际的脉冲宽度为960fs。

图4 闲散光能量最高时对应的输出光谱(左)和自相关曲线(右)[1]

图5 兔子动脉硬化组织切片的三光子激发荧光(绿色)、三次谐波(蓝色)和二次谐波(红色)成像[1]

最终作者还利用上述波段光源激发兔子的动脉硬化部位组织观察到了三光子荧光、三次谐波和二次谐波信号,分别对应着图5中的绿色、蓝色和红色区域。

图6 实验装置图[2]

由于窄带宽的泵浦不利于后续的功率扩展,2020年法国Ammar Hideur组则进一步搭建了基于宽带泵浦源的光纤光参量振荡器系统[2],系统装置如图6所示,泵浦源中心波长为1036nm,光谱宽度为7nm,脉冲能量为4．2uJ,重复频率为0．938MHz,脉冲宽度为140ps。通过调节空间延迟线来改变反馈回的信号光与泵浦光时间上的重叠区域实现可调谐的闲散光输出。

图7 实验中得到的光谱、自相关、射频谱以及可调谐波长输出[2]

实验结果如图7所示,由于插入损耗,耦合进光子晶体光纤中的泵浦脉冲能量为2uJ,满足相位匹配条件之后,可以得到带宽为9nm,中心波长为1221nm的闲散光,闲散光脉冲能量为250nJ,脉冲宽度为100ps,压缩后脉冲宽度为570fs。同时得到带宽为3nm,中心波长为900nm的信号光,信号光的脉冲能量为60nJ。通过控制空间延迟线得到波长范围870nm到905nm可调谐的信号光,对应的脉冲能量为25-50nJ。以及,波长范围在1210nm到1270nm可调谐的信号光,对应的脉冲能量为125-250nJ。

图8 模拟:基于光纤光参量振荡器功率扩展[2]

为了得到更高脉冲能量的闲散光,作者模拟发现通过增加泵浦脉冲的展宽因子可以进一步提高得到的闲散光脉冲能量。模拟结果如图8所示,成倍增加泵浦脉冲能量的同时成倍增加泵浦脉冲宽度可以得到脉冲能量线性增长的闲散光,特别地,当泵浦脉冲能量为10uJ,脉冲宽度为700ps时,可以得到脉冲能量达1uJ的闲散光。

本文介绍的基于光纤型的低重频光参量振荡器能够实现结构紧凑,环境稳定的波长在1250nm附近的高能量光源。由于低重复频率可以允许激发的三光子成像信号功率更高,即对应更深的穿透深度,因此是生物成像的理想光源。

参考文献:

[1] Gottschall, T．, Meyer, T．, Schmitt, M．, Popp, J．, Limpert, J．, & Tünnermann, A． (2015)． Four-wave-mixing-based optical parametric oscillator delivering energetic, tunable, chirped femtosecond pulses for non-linear biomedical applications． Optics Express, 23(18), 23968–23977．

[2] Becheker, R．, Touil, M．, Idlahcen, S．, Tang, M．, Haboucha, A．, Barviau, B．, Hideur, A． (2020)． High-energy normal-dispersion fiber optical parametric chirped-pulse oscillator． Optics Letters, 45(23), 6398–6401．