01 导读

    近日，厦门大学罗正钱教授课题组在可见光超快光纤激光研究领域取得重大突破，首次实现了一种全光纤可见光被动锁模激光器。

    该激光器可以产生635 nm的皮秒脉冲激光，具有结构紧凑、高性能且低成本等优势，是在可见光范围内向小型化超快光纤激光器迈出的重要一步。

    将为可见光超快光纤激光在精密光谱学、生物医学、显微成像、光通信、科学研究等领域的应用奠定基础，具有很好的研究潜力和应用价值。

02 背景介绍

    超短脉冲激光产生是整个超快光学发展的基石，尤其是上世纪90年代钛蓝宝石激光晶体和克尔透镜锁模技术的相继诞生，引爆了超快激光的快速发展，已广泛应用于激光材料加工、国防军事、生物医学、精密测量、生物光子学、超快光谱学、光通信、科学研究等重要领域。

3）可见光波段光纤谐振腔具有超大正色散值，建立可见光稳定锁模的难度急剧增加。

    可见光超短脉冲目前仍主要通过近红外超快激光的非线性倍频产生，激光系统相对复杂且倍频过程降低超快激光性能。

    尤其是，在某些应用领域（例如超精密光谱、光学原子钟等）对可见光超快激光的性能（噪声、稳定性等）和便携式小型化提出很高要求，通过被动锁模技术直接产生可见光超快激光无疑是最佳选择。

        如何实现可见光被动锁模光纤激光器，直接产生小型化、低成本且高性能的可见光超快激光，是一直困扰超快激光研究领域的一个难题。

    在本文中，作者通过数值求解金兹伯格-朗道方程，发现耗散孤子谐振机制可应用于可见光波段超大正色腔锁模的稳定建立，采用等离子体溅射光纤端面介质镜技术，构建了全光纤型可见光激光腔，首次实验实现了小型化可见光被动锁模光纤激光器，获得锁模中心波长为635 nm（红光）的皮秒脉冲激光。

03 创新研究

图1. 可见光被动锁模光纤激光器的数值模拟结果。

（a）脉冲演化；（b）相应的光谱演化；

（c）脉冲时域波形（实线）和相应的频率啁啾（虚线）；

（d）锁模激光光谱。

    在这项工作中，作者利用标准分步傅里叶法数值求解金兹伯格-朗道方程，发现耗散孤子谐振（DSR）机制利于可见光波段超大色散光纤腔被动锁模脉冲的稳定建立。

    如图1所示，作者数值模拟了在DSR机制下635 nm锁模脉冲的形成和演化。

    随着腔内往返次数的增加，初始脉冲迅速收敛，在腔内形成稳定的锁模脉冲（图1a），相应的光谱演化如图1b所示，随着往返次数的增加，光谱变窄，光谱带宽的变化趋势与脉冲宽度的变化趋势相反。

    最后，即使腔内往返次数进一步增加，脉冲、光谱和峰值功率都达到稳定状态，表明稳定的锁模被建立。

    图1c.展示了不同小信号增益系数（相当于改变泵浦功率）下635 nm锁模脉冲时域波形（实线）和相应的频率啁啾（虚线）的演变。

    随着小信号增益系数的增加，锁模皮秒脉冲宽度线性增大，脉冲强度幅值保持不变。

    635 nm锁模脉冲光谱的中心波长在635 nm，具有窄线宽（<0.1 nm）（图1d）。

图2. 635 nm可见光全光纤被动锁模激光器的实验装置图

图3. 在93 mW泵浦功率下635 nm锁模光纤激光器的输出特性。

（a）锁模光谱；（b）典型的脉冲系列；

（c）单脉冲（插图：泵浦功率为68 mW时的单脉冲）;

（d）基频RF频谱（插图：宽带RF频谱（100 MHz跨度））。

    基于数值模拟结果，作者采用图2所示的实验装置图，首次实验实现了635 nm红光被动锁模光纤激光器，实验结果如图3所示。

    该锁模激光器是全光纤的八字腔结构，采用850 nm LD泵浦Pr/Yb共掺ZBLAN光纤产生可见光增益，然后利用非线性放大环镜实现被动锁模耗散孤子脉冲的建立。

    该激光器产生的锁模激光的中心波长为635.04 nm，光谱线宽<0.1 nm（图3a.），并且具有可调的皮秒脉宽（96-1298 ps）。

    图3b.为典型的脉冲序列，其间隔为258.3 ns，与腔往返时间吻合，输出脉冲强度一致，表明锁模脉冲非常稳定。

    相应的单脉冲如果采用超高斯拟合，则脉冲为平顶矩形脉冲。值得注意的是，在泵浦功率为68 mW时，获得的最小的锁模脉宽为96 ps（图3c.）。

    另外，如图3d.所示，锁模脉冲的重复频率为3.8713 MHz，信噪比高达67 dB，进一步表明该激光器具有出色的稳定性。

    值得注意的是：上述实验结果（光谱、脉宽等）与图1中数值模拟结果完美吻合。

    此外，通过调整该激光器腔内的偏振态，作者还获得了具有宽带（>1 nm）被调制光谱的类噪声脉冲（NLP）锁模运转，产生的635 nm类噪声皮秒脉冲的脉宽同样可调。

04 应用与展望

    本文报道的全光纤可见光被动锁模激光器，是在可见光范围内向小型化/低成本超快光纤激光器迈进的重要一步，可推广至其他可见波长的超快光纤激光产生。

    这一突破将为可见光超快光纤激光在可见光飞秒光梳、超分辨显微成像、生物医学、倍频紫外超快激光和科学研究等领域的应用带来新的发展机遇。

2） 如何实现低噪声/高稳定性的可见光光纤锁模激光。

05 作者简介

罗正钱 教授

    罗正钱 厦门大学教授、博导，现任厦门大学电子工程系主任。
    针对目前超快光纤激光器工作波长主要局限在1-2μm近红外的问题，一直致力于发展‘小型化、新波段超快光纤激光技术与应用’这一研究方向，尤其在可见光和中红外等新波长全光纤超快激光方面取得多项重要进展，获福建省自然科学奖1项(第一完成人)，部分成果已走向产品应用。
    主持光纤超快激光领域国家级项目4项、军委装备预研基金1项、省部级4项。入选福建省杰出青年基金、福建省特支‘双百’青年拔尖人才、福建省新世纪优秀人才，2016-2017年MIT访问教授。
    迄今发表学术论文130余篇(SCI 90余篇)，第一或通讯作者SCI论文54篇 (其中7篇ESI高被引论文, 3篇特邀论文)，谷歌学术总引用3500余次，单篇最高被引410余次(第一且通讯)，引用>100次的论文9篇(第一或通讯)，h指数26。

    该论文题目是 Towards visible-wavelength passively mode-locked lasers in all-fibre format，发表在 Light: Science & Applications 。
    论文第一作者为厦门大学博士生邹金海，通讯作者为罗正钱教授。

    论文全文下载地址：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0305-0

原文链接：《锁模超快光纤激光器推向可见光波段》

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