中红外氟化物光纤锁模激光器媲美OPO

来源：中国激光

文章链接：Zhipeng Qin, Guoqiang Xie, Hongan Gu, Ting Hai, Peng Yuan, Jingui Ma, Liejia Qian. Mode-locked 2.8-μm fluoride fiber laser: from soliton to breathing pulse[J]. Advanced Photonics, 2019, 1(6): 065001

过去，产生MHz中红外飞秒脉冲只能通过同步泵浦的光参量振荡器（OPO）实现，它不仅需要一个强大的飞秒泵浦源，同时还要求泵浦与信号脉冲保持严格的时间同步。近年来，锁模氟化物光纤激光器成为一种新兴的中红外超短脉冲源，其体积小、效率高、抗干扰强等特点有助于推动中红外超快激光的应用，比如超连续谱产生、医疗成像以及气体光谱学等。然而，由于中红外色散管理技术的缺失，锁模氟化物光纤激光器长期局限在孤子锁模，从根本上限制了脉冲能量和峰值功率的提升。

激光器色散管理是克服脉冲能量和峰值功率受限的有效方法，已经被广泛地应用于近红外波段的锁模光纤激光器中，显著提升了近红外锁模光纤激光器的性能。传统的近红外光纤基于硅光纤体系，其色散符号和色散量大小可以通过离子掺杂、微结构设计等灵活调控。然而，对于中红外氟化物光纤体系，目前无法开发出中红外色散管理光纤，导致了中红外锁模氟化物光纤激光器的发展受阻。

呼吸脉冲锁模的氟化物光纤激光器实验装置示意图

上海交通大学的谢国强教授研究团队报道了一种基于红外带隙半导体的中红外色散管理方法。相关研究成果发表于Advanced Photonics，2019年第1卷第6期上。

半导体材料在吸收边附近由于折射率的快速变化会产生巨大的正群速度色散，因此利用红外带隙半导体材料可以方便地对中红外锁模氟化物光纤激光器进行色散管理。以红外带隙半导体材料锗为例，它在近吸收边(2.8 μm)具有巨大的正群速度色散，其色散值是氟化物光纤的20倍，且符号相反。因此，厘米级的锗棒即可管理锁模氟化物光纤激光器的腔内色散。

呼吸脉冲锁模氟化物光纤激光器的实验结果：(a)脉冲能量、(b)脉宽、(c)锁模光谱随锗棒长度的变化，0、2、3、6 cm锗棒对应的腔内净色散量分别为 -0.191、-0.158、-0.141、-0.090 ps2；(d)孤子锁模和呼吸脉冲锁模的脉冲能量和脉宽随泵浦功率的变化；当输出脉冲能量为9.3 nJ时，测量得到的(e)自相关曲线和(f)锁模光谱 。

通过色散管理，中红外锁模氟化物光纤激光器不再局限于孤子锁模，锁模氟化物光纤激光器从孤子锁模走向了呼吸脉冲锁模。呼吸脉冲作为色散管理孤子的一种新的表现形式，首次在2.8 μm氟化物光纤锁模激光器中实现。研究人员从氟化物光纤锁模激光器中获得了破记录的峰值功率(43 kW)，该峰值功率可与同波段飞秒OPO的最高水平相媲美。该研究工作提供了一种简单实用的中红外氟化物光纤色散管理方法，为新的锁模机制的实现创造了条件，有助于进一步提升中红外飞秒光纤激光器的脉冲能量和峰值功率水平。