前沿进展 | 超快拉曼光纤激光技术：回顾与展望

论文导读

      超快拉曼光纤激光技术是一种获得特殊波长超短脉冲激光的有效手段。然而，与传统稀土掺杂型超快光纤激光器相比，超快拉曼光纤激光器的性能仍有待提升，以期获得更高的脉冲能量与更窄的脉冲宽度。近年来，得益于包括拉曼锁模、脉冲同步泵浦、非线性光学增益调制等多种技术的发展，超快拉曼光纤激光器的输出脉冲性能不断接近微焦与亚百飞秒量级，为相关应用的拓展打下了坚实的基础。中国科学院上海光机所冯衍研究员与周佳琦副研究员所在课题组于2022年8月4日在PhotoniX上在线发表了题为Ultrafast Raman fiber laser: a review and prospect的综述论文。文章系统总结了超快拉曼光纤激光技术近年来的发展脉络，重点分析了拉曼锁模、脉冲同步泵浦、非线性光学增益调制这三种技术各自的优缺点，并阐述了超快拉曼光纤激光研究的未来趋势与挑战。

研究背景

      超快激光凭借其脉冲宽度窄、峰值功率高、光谱宽度大等优点，具有极高的应用价值和研究意义，是激光技术的研究热点。超快光纤激光器更是兼具结构紧凑、光束质量好、长期稳定可靠等优势，成为了近几年国内外大力发展的超快激光器类型。通常超快光纤激光器的增益介质是稀土掺杂光纤，利用稀土离子的多能级结构实现受激辐射。但由于稀土离子的能级间隔固定、跃迁光谱宽度有限，所以只能在分立的光谱范围内实现激光输出，这极大限制了超快光纤激光器的应用空间。把超快光纤激光的输出波长拓展到离子跃迁无法覆盖的波段，不仅是超快技术发展本身的趋势，同时也能满足科研、医疗、国防等领域众多应用的实际需求。

      现有数种基于光纤中非线性光学效应的技术，可以拓展超快光纤激光的输出波长范围，包括四波混频、自相位调制、超连续谱产生等。由于存在诸如调谐范围有限、光谱功率密度低等的缺点，限制了这些技术的应用范围。相比之下，光纤中的受激拉曼散射能有效克服上述问题。只要有合适波长的泵浦激光，通过级联方式即可产生光纤低损耗窗口范围内任意波长的、高光谱功率密度的拉曼激光输出。所以，超快拉曼光纤激光技术是解决传统稀土型超快光纤激光波长受限问题的优质技术手段。

技术突破

      该综述论文主要介绍了三种超快拉曼光纤激光技术，分别为拉曼锁模、脉冲同步泵浦与非线性光学增益调制，重点分析对比了它们各自的优缺点。被动锁模技术是采用在谐振腔内引入可饱和吸收体的方式，使得脉冲光的腔内损耗低于连续光，从而达到启动锁模与提供脉冲窄化整形的作用。可饱和吸收体根据实现方式可分为材料类与基于非线性效应的人工类两种。基于材料类可饱和吸收体的锁模拉曼光纤激光器普遍性能不佳，存在输出脉冲序列稳定性差、频谱信噪比低的问题。这是由于拉曼增益是一种响应速度极快的非线性过程，其响应时间快于常见的材料类可饱和吸收体的恢复时间。因此，在可饱和吸收体的恢复期内有实时的拉曼效应发生，产生自发拉曼光并被放大，从而存在超快脉冲以外的拉曼光分量，严重影响了锁模脉冲的稳定性。以非线性偏振旋转与非线性环形镜为代表的人工类可饱和吸收体与拉曼增益有着类似的响应速度，从而能够实现高稳定的超快拉曼脉冲输出。然而，不管是何种类型的锁模拉曼光纤激光器，它们都存在一个根本上难以克服的问题。由于拉曼增益相对较弱，在连续光泵浦的条件下，通常需要数十米、甚至上百米长度的增益光纤，导致脉冲在腔内积聚很大的色散和非线性相移，使得锁模拉曼光纤激光器输出脉冲能量小，稳定工作区间窄。

      与被动锁模技术相比，脉冲同步泵浦拉曼光纤激光器有效地利用了拉曼增益与泵浦光强成正比的特点，可以在较短的增益光纤下实现较高的转换效率，从而有效提升输出拉曼脉冲的重复频率与脉冲能量。在同步泵浦机制中，由于泵浦光为脉冲形式，为了实现谐振增强，需要满足一个关键的匹配条件，即拉曼谐振腔长度与泵浦脉冲重复频率的匹配。由于泵浦脉冲与拉曼脉冲的时域宽度通常在皮秒量级，为了实现两者的同步，对匹配精度要求极高。近年来，相继发展了基于光纤延迟线、增益调制激光二极管和随机激光自同步等方法的匹配机制。其中在一个基于光纤延迟线方案的报道中，研究人员获得了18 nJ, 147 fs的拉曼激光脉冲输出，其性能已经可以比拟传统的稀土掺杂型超快光纤激光器。然而，脉冲同步泵浦超快拉曼光纤激光器也存在一个共性问题，即同步机制的引入不仅提升了系统的整体复杂度，而且不利于脉冲的长期稳定。由于拉曼光纤谐振腔的长度对于环境温度变化敏感，为了实现谐振腔长度与泵浦脉冲重复频率的长期匹配，需要对两者进行主动反馈控制。

      无论是拉曼锁模还是同步泵浦，目前都很难通过紧凑、简单的技术手段来获得高能量、窄脉宽的拉曼脉冲输出。究其原因，还是源自基于谐振腔的思维定式。如果采用拉曼光纤放大器替代光纤谐振腔，即可保证脉冲泵浦条件下高拉曼增益的同时，规避同步泵浦的匹配条件。然而，在无种子注入的脉冲泵浦拉曼光纤放大器中，弱相干的自发拉曼辐射成为了“种子源”被放大，一般只能获得类噪声拉曼脉冲输出。为了提升输出拉曼脉冲的相干性，本课题组提出了一种非线性光学增益调制技术，通过非线性增益，将单频激光调制成超快脉冲激光。其技术概念图如图1所示，原理描述如下：采用脉冲激光作为泵浦源与增益调制驱动，单频激光作为种子源，结合非线性增益介质，在皮秒量级的增益窗口时间内放大单频连续光信号，从而获得中心波长对应于单频信号光的超快脉冲。通过实验验证，我们利用37 nJ, 14ps的1064 nm泵浦光放大1120 nm单频连续光，获得了26 nJ, 436 fs的1120 nm拉曼脉冲，拉曼转化效率高达70%。通过数值仿真，理论验证了若进一步提升泵浦脉冲能量至1 μJ，有望获得0.7 μJ，188 fs的拉曼脉冲输出。图2总结对比了代表性文献报道中三类超快拉曼光纤激光器输出脉冲的能量和宽度。

观点评述

      总结而言，受限于长谐振腔的必要条件，目前锁模拉曼光纤激光器输出脉冲能量较小、宽度较大。脉冲同步泵浦拉曼光纤激光器能实现数十nJ能量、百fs脉宽输出，然而拉曼谐振腔长度与泵浦脉冲重复频率之间必须满足严苛的匹配条件，故而增大了系统复杂度。与前两者相比，非线性光学增益调制技术扬弃了传统的光纤谐振腔方案，转而采用拉曼光纤放大器，通过超快脉冲泵浦激发非线性增益，将单频激光调制成超快脉冲激光。该技术兼具了结构简单紧凑、输出脉冲性能优异等特点，未来有望在实验中获得能量大于数μJ、脉宽小于百fs、波长灵活的拉曼脉冲。此类特殊波长的超快激光光源在多光子显微成像、特殊材料加工、光学精密计量、光通信等领域具有广阔的应用前景。

主要作者

      周佳琦，中国科学院上海光学精密机械研究所副研究员，硕士生导师。致力于超快光纤激光技术与光学频率梳等方向的研究。主持国家自然科学基金面上、青年项目，上海市自然科学基金，院重点实验室创新基金，国家重点研发计划子课题等项目。入选中国科学院青年创新促进会，获上海市人才发展资金、尚光青年骨干等人才项目资助。

      冯衍，2000年博士毕业于南开大学物理系，现在为中科院上海光机所研究员、国科大杭高院双聘教授。主要从事精密激光技术与非线性光学研究，在拉曼激光器、钠导星激光器、非线性相位调控等方面开展了系统性工作，取得一些成绩。获得德国Berthold Leibinger 激光创新奖，中科院优秀导师奖，中国侨界贡献（创新人才）奖等荣誉。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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