圖1：基于非線性光增益調制的高功率U波段超快激光實驗裝置

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所周佳琦研究員團隊，在高功率U波段飛秒激光產生方面取得新進展。相關研究成果以“High-power U-band femtosecond laser pulses generated by nonlinear optical gain modulation”為題，發表于Optics Letters。

U波段(1620-1680 nm)超快激光在溫室氣體檢測、激光雷達、光通信以及生物成像等領域具有重要的應用價值。然而，該波段處于鉺、銩等常用稀土離子發射譜的空白區域，難以借助傳統鎖模激光技術實現超快脈沖輸出。目前，產生U波段超快脈沖的主要方法包括超連續譜產生、孤子自頻移和自相位調制等，但這些方法普遍存在能量轉換效率較低(通常低于20%)、系統結構復雜以及調諧困難等問題，因而在實際應用中仍面臨較大挑戰。

圖2：隨1550 nm泵浦功率提高，1645 nm單頻激光在拉曼增益調制作用下發生顯著光譜展寬。a-f: 泵浦功率逐漸提高，單頻激光被調制實現光譜展寬;g: 經過脈沖壓縮后的光譜;h: U波段光譜細節

圖3：最大泵浦條件下輸出的U波段激光脈沖性能表征：時域脈沖串(a);射頻譜(b);壓縮前(c)與壓縮后的脈沖自相關信號(d)

針對上述瓶頸問題，研究團隊提出了一種基于非線性光學增益調制的方法，用于產生U波段超快脈沖。該技術以1550 nm鎖模脈沖作為泵浦光源，與1645 nm單頻種子激光共同耦合進入拉曼增益光纖，通過受激拉曼散射效應將1550 nm波段的能量轉移至1645 nm，并同步將單頻連續激光調制為超快脈沖。實驗裝置示意圖如圖1所示。隨著1550 nm超快脈沖泵浦功率的逐步提高，1645 nm單頻激光在拉曼增益調制作用下發生顯著光譜展寬。在泵浦功率為4.3 W時，光譜帶寬約達20 nm，系統實現了63.2%的高能量轉換效率，如圖2所示。同時，該單頻連續激光在時域上被成功調制為超快脈沖，并能夠被壓縮至接近傅里葉變換極限，如圖3所示。相較于傳統方法，該方案突破了能量轉換效率低與調諧困難的瓶頸：不僅實現了超過60%的高能量轉換效率、覆蓋U波段的寬調諧能力，產生的超快脈沖也繼承了單頻激光的高相干性;同時，其全保偏光纖結構兼具低成本、低復雜度、結構緊湊與環境穩定性好等多重優勢。本研究為開發高性能U波段超快激光器開辟了全新路徑，奠定了堅實的應用基礎。

相關工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金等項目的支持。

審核編輯 黃宇