脉冲宽度不足一直被认为是高功率飞秒光纤激光器与固体激光器相竞争的一大障碍。然而幸运的是，脉冲和光谱整形技术帮助飞秒激光器突破了这一障碍。

作者：刘健，PolarOnyx创始人； 杨丽梅，PolarOnyx产品总监

在生物医学应用中，实现100fs的脉冲宽度一直被认为是高功率飞秒光纤激光器与固体激光器（如频率80MHz、功率1W的钛蓝宝石激光器）相竞争的一大障碍，因为很多超快激光应用，如非线性成像、组织消融以及相干超连续光谱产生等，都要求脉宽达到100fs级的水平。在过去的几年中，高功率飞秒光纤激光器已经在工业和科研领域得到了广泛重视。尽管已经有报道称，很多飞秒光纤激光器的平均功率已经高达200W，但实现100fs的脉宽依然是超快光纤激光器领域的一大技术壁垒。

在2010年旧金山召开的Photonics West 2010展会上，PolarOnyx公司推出的飞秒光纤激光器采用创新的技术，打破了高功率飞秒光纤激光器实现100fs脉宽的技术瓶颈。PolarOnyx公司利用其专有的脉冲整形和光谱整形技术，将高功率飞秒光纤激光器的脉宽压缩到了100fs。显然，如此显著的脉宽提升（从200fs压缩到100fs）为飞秒光纤激光器开辟了更加广泛的应用领域，并将有望在诸多应用中对固体激光器形成巨大冲击。当然，光纤激光器结构紧凑、免维护以及具有较高的成本效益等优势（见表1），已经众所周知。目前，飞秒光纤激光器已经成了许多工业和临床应用的最佳选择。

表1：飞秒光纤激光器与飞秒固体激光器的比较

脉宽压缩

对飞秒光纤激光器来讲，缩短脉宽所面临的挑战是对色散、非线性和增益窄化的管理。相较于固体激光器，由于光纤和增益介质相对较长，因此光纤激光器中存在着严重的非线性和增益窄化效应。这些都将影响脉冲形状和光谱带宽，并且对于1W运作来讲，很难将脉宽压缩到200fs。此外，光纤和飞秒光纤激光器中使用的光栅压缩器之间的高阶色散（HOD）的不匹配，致使取消或补偿非线性和增益窄化效应更加困难。

为了解决这些问题，康奈尔大学的研究人员研究了一个高功率锁模光纤激光器谐振腔，该谐振腔沿着包层泵浦采用了耗散孤子脉冲整形，以实现更高的平均功率。^[1]通过适当地选择光滤波器带宽，调节偏振，可以实现稳定的锁模。该光纤激光器产生31nJ的啁啾脉冲，重复频率为70MHz，平均功率为2.2W。在对外部激光器进行脉冲压缩（dechirping）后，可以获得15nJ、80fs的脉宽，峰值功率高达200kW（见图1）。

图1：具有振荡器配置的高功率飞秒光纤激光器，能将脉宽压缩到100fs的水平（上图），并且具有优异的光束质量（下图）。

这种方法是飞秒光纤激光器研究中的一项突破，其克服了脉宽瓶颈问题。通过适当地控制能量传播（energy propagation）和滤波效应（filtering effect），能够大大降低高阶色散和增益窄化效应。然而，由于操作的复杂性和需要自由空间元件，要开发出一款能实用的产品尚且需要巨大努力。

目前，一种主振功率放大器（MOPA）设计已经被证明是实现飞秒光纤激光器的可靠方法，目前这种方法已经在PolarOnyx公司的产品中采用。PolarOnyx采用MOPA式设计的飞秒光纤激光器可以实现30～100MHz的重复频率、100fs的脉宽和大于1W的压缩输出功率（见图2）。通过使用偏振、脉冲和光谱整形技术来设计恰当的光纤激光振荡器和放大器，脉冲的产生和放大可以对色散、非线性失真和增益窄化有一个良好的平衡。^[2]

图2：具有主振荡器功率放大器配置的高功率飞秒光纤激光器的简化图（上图），下图是可商用的产品。

一项关键的脉冲整形技术是控制光纤的三阶色散（TOD）。通常，光纤中的色散是通过材料色散和波导色散这两方面来控制的。在1020～1090nm的光谱区域中，材料色散显示了正的色散斜率。传统的光纤，如康宁公司的SMF-28，TOD的值始终是一个约为0.3ps/nm²-km的正值，这与所使用的光栅压缩器的TOD不匹配。然而，通过操控光纤波导结构，可以引入波导色散来调整材料色散，这样的整个光纤系统的TOD和色散斜率就能实现匹配了，特别是与光栅压缩器的匹配。

另一个用于脉宽压缩的关键的光谱整形技术是通过充分利用自相位调制（SPM）来获得足够的脉冲光谱宽度。SPM在放大之后进行，这样展宽的光谱就不会受到放大器增益窄化的限制。在放大阶段使用的光纤长度应该适当，以产生所需要的光谱带宽。当脉冲的峰值功率达到一定水平时，SPM效应可引起光谱展宽。根据不同的脉冲能量水平和脉冲宽度（即定义了峰值功率），光谱展宽的效果可以通过选择合适的光纤长度和光纤类型来优化。而且，适当的控制SPM，可以平衡光纤和光栅压缩器之间的TOD不匹配。

这些技术解决了功率范围和脉宽展宽之间的折中问题，放大的光谱带宽可以支持无明显剩余TOD和增益窄化效应的100fs的脉宽。假设变换有限脉冲质量，100fs的脉冲是由一个15nm的光谱带宽支持的。

PolarOnyx公司1W、100fs的光纤激光器的脉冲性能指标为：重复频率33MHz，压缩脉冲能量30nJ，平均功率1.4W。当工作波长位于1035nm附近时，实际测得的脉冲宽度为90fs（高斯形状假设）（见图3）。它有一个紧凑型的集成压缩器，以确保光纤激光器能方便、可靠地运行。对于200fs的脉宽，已经获得了高达5W的压缩输出功率，进一步优化可以实现100fs的脉宽。而且，通过增加光参量振荡器（OP）作为补充，其波长可以覆盖从可见光到中红外光，从而使飞秒光纤激光器的能力得以进一步拓展。

图3：1W飞秒光纤激光器的光学光谱（左）和脉冲宽度（右）。

应用

飞秒光纤激光器在价格、可靠性和维护方面都具有显著优势，其正在临床应用中获得越来越广泛的应用。^[3]

最近，人们将正在将超快激光器的飞秒脉冲耦合到双包层光子晶体光纤（PCF）或空心光子带隙光纤（PBFs）中，为活体成像和临床应用努力开发紧凑的多光子系统。光纤连接的微型扫描探针，已经能够灵活地访问组织，以获得多光子显微镜（MPM）的图像。虽然探针变得越来越小，但是它们使用的光源通常是传统的固体钛蓝宝石激光器，而这类激光器通常体积较大、价格昂贵、不便于携带，并且需要精确的准直。寻找新型的低成本、紧凑、便携式超快激光源，将有望增强MPM在研究领域，特别是在临床研究中的应用。

亚细胞激光消融（SLA）已经成为细胞内环境的承载骨架分子力学性能测试的有力工具。在亚细胞激光消融中，脉冲持续时间为100fs的高能量激光脉冲，通过一个高数值孔径的物镜，聚焦到一个细胞内的目标上，如细胞器或一个骨架元素。实验证明，使用超短脉冲，处于激光焦点上的物质，经过非线性多光子吸收形成光分解和物质破坏，而对周围结构的热传递或间接损坏程度最低。这些超快系统能够破坏一个活体细胞中的单个线粒体，而不破坏周围组织。

然而尽管取得了上述进展，未来飞秒激光器要想在走出研究阶段而在生物设备、医疗诊所、生产环境甚至是在移动设备中获得更广泛的应用，那么仍然需要结构紧凑、光纤传输、用户友好、价格便宜的产品。未来，飞秒光纤激光器将在多种科研领域中获得大量应用，特别是如果其成本能够下降的话。目前，价格约为15万美元的钛蓝宝石激光器，已经让许多研究与应用用户感到有些昂贵，希望未来飞秒光纤激光器能为用户提供一种更加经济的选择。

参考文献

1、K. Kieu et al., Opt. Lett. 34, 5, p. 593–595 (2009).

2、美国专利：7430224，7440173，7555022，7477666，7593434，7529278，7526003，7430226。

3、S. Tang et al., J. Biomedical Opt. 14, 3, p. 1–3 (2009).

4、N. Shen et al., Mechanics and Chemistry of Biosystems 2, p. 17–25 (2005).