與約800 nm和1300 nm的常規激發波長相比，第三近紅外（NIR－III）光學窗口（1600－1850 nm）為生物成像應用提供了更長的衰減長度（圖1）。最近，很多研究組已對NIR－III窗口中1700 nm附近的激光源進行了深入研究，以實現更深的穿透深度，用于高分辨率光學成像，例如三光子顯微鏡（3PM）和光學相干層析成像。3PM需要高能超快脈沖，以促進NIR－III區域中的三光子吸收；另外，需要波長可調以增加可利用的熒光團的數量。

圖1 在第三近紅外（NIR－III）光學窗口的三光子成像

迄今為止，3PM的光源多數基于光纖中的孤子自頻移（SSFS）效應，但SSFS有轉換效率低、泵浦功率需要高能量和必不可少的自由空間體光學元件等缺點（圖2）。另一方面，還可以使用基于GeO2－SiO2玻璃的摻鉍光纖（BDF）作為增益光纖來開發1700nm附近的光纖激光器，但是由于1700 nm處的增益較低（＜1dB ／ m），所以所需BDF的長度較長，較長的光纖又會積累過量的非線性相移，最終可獲得的脈沖能量較低，遠遠不能滿足3PM對于光源的要求。

圖2 基于孤子自頻移的光源

基于二氧化硅的摻銩光纖（TDF）在3F4－3H6躍遷中具有1600至2100 nm的寬發射范圍，有望作為一種增益介質在1700 nm區域構建脈沖激光器。市售TDF在1700 nm波段中的主要限制是強烈的重吸收和反常色散，與正常色散相比，反常色散會限制脈沖能量，所以實現低于1800 nm的TDF激光器一直是一項挑戰。

在該文章中，該研究組開發了一種基于二氧化硅的拋物線W型TDF，在1600 nm以上的波長具有正色散，并且W型TDF還通過光纖彎曲表現出分布的短通濾波效果。因此，拋物線W型正色散TDF（NDTDF）在適當的彎曲直徑下可作為1700 nm處的有效增益介質。如圖3a所示，光譜彎曲損耗受彎曲直徑的影響很大，W型NDTDF本身可作為分布式短通濾波器，并且只需改變彎曲直徑即可在1740－1940 nm的寬范圍內調節短通截止波長λcutoff（以實點表示λcutoff）。

此外，如圖3c所示，W型NDTDF在纖芯區域具有接近拋物線的輪廓。拋物線輪廓能極大地消除彎曲畸變，如圖3d和3e所示，在1700－2020 nm的寬范圍內，模場直徑和纖芯中LP01模式的功率在該光纖很大的彎曲中都能保持穩定。因此，光纖中W型和拋物線輪廓的獨特組合實現了穩定的、由彎曲誘導的短通濾波效應，而且不會破壞基模的運行。隨后，他們研究了光纖在彎曲下的色散（圖4），該彎曲會改變LP01模式的有效折射率和相應的色散值，但在1650－1800 nm范圍內，不管彎曲直徑如何，計算得到的色散值與測得的未彎曲光纖的色散值高度吻合，并且均為正色散。

圖3 W型NDTDF的光纖表征

圖4 光纖不同彎曲直徑處的色散曲線

作者利用W型NDTDF作為短波工作的增益介質，搭建了全光纖脈沖激光器，如圖5所示。該八字形振蕩器基于非線性放大環形鏡結構，該環形鏡使用了彎曲直徑為8 cm的1．8 m 長的W型NDTDF。此外，他們利用5 m長的W型NDTDF光纖搭建了放大器，并最終使用SMF28光纖來壓縮放大后的脈沖。

圖5 實驗裝置

如圖6所示，在1565 nm CW光纖激光器的泵浦功率約為31 dBm的情況下，稍微調整偏振控制器，可以在1766 nm處獲得穩定的自啟動鎖模，輸出脈沖的重復頻率為4．96 MHz，平均功率為4 mW，光譜的半高全寬約為3．2 nm。如圖7所示，在放大階段，放大后脈沖的光譜半高全寬約為5nm，與振蕩器種子的光譜相比略寬；輸出功率幾乎隨泵浦功率線性增加，斜效率為31．5％；最大泵浦功率為36dBm（4W）時，對應的單脈沖能量約為158．2 nJ；圖7左下角描繪了所測得的脈沖，沒有觀察到任何脈沖破裂，脈沖寬度約為5．63 ps。在壓縮階段使用16米長的SMF－28進行壓縮，可得到短于374 fs的脈沖。

圖6 振蕩器的實驗結果

圖7 放大器的實驗結果

總之，該課題組研發了中心波長在1700nm附近的高能量飛秒全光纖激光系統，驗證了W型NDTDF用作短波工作增益介質的潛力。通過優化振蕩器和放大器中W型NDTDF的彎曲直徑，可以在1760 nm附近產生能量為158．2 nJ、寬度為5．63 ps的超短脈沖，在壓縮階段使用SMF－28（16m），可實現短于374 fs的脈沖。與基于BDF或商用TDF的光纖激光器相比，脈沖能量增加了大約一個數量級。

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