波長為1300 nm和1700 nm的激光光源在工業(yè)焊接和生物醫(yī)學等領域有著潛在的應用前景。在工業(yè)焊接方面，由于烴鍵對1700 nm波段的高吸收率，該波長激光光源可用于某些聚合物和塑料的焊接；在生物醫(yī)學方面，生物組織在1300 nm和1700 nm處具有相對較低的水吸收和較長的散射長度，因此該波長的高功率超短激光源是生物醫(yī)學領域中強有力的工具。特別是在多光子顯微鏡、高分辨率光學相干斷層掃描和精密眼科手術等應用中。但是，目前1300 nm和1700 nm增益介質還不成熟，直接獲得該波長高功率激光輸出仍然很困難。因此通常利用波長轉換的方法實現1300nm和1700nm激光輸出。常用的波長轉換方法有：光參量振蕩器（OPO）和放大器（OPA）、拉曼孤子自頻移（RSSFS）和超連續(xù)產生（SCG）?；诜蔷€性晶體的光參量振蕩器和放大器，非線性晶體的空間準直導致系統(tǒng)體積龐大，并且對環(huán)境敏感。利用拉曼孤子自頻移的方法能夠將系統(tǒng)做成全光纖結構，不需要空間準直，從而使系統(tǒng)更緊湊，但是輸出功率受光纖模場面積的限制。超連續(xù)產生的方法能夠克服這一限制，但在產生超連續(xù)之前，需要將高能量的泵浦脈沖壓縮到近變換極限脈寬，預壓縮和自由空間的耦合使得系統(tǒng)更加復雜。

美國亞利桑那大學的YUKUN QIN等人采用光纖光參量啁啾脈沖放大（FOPCPA）的方法，產生了平均功率大于1 W、中心波長在1300 nm和1700 nm的百飛秒超短脈沖序列。系統(tǒng)為全光纖結構，具有良好的緊湊性和穩(wěn)定性。

圖1 基于FOPCPA產生1700nm光源的實驗裝置圖 ［1］

產生1700 nm光源的裝置圖如圖1所示，主要由6個部分組成：碳納米管鎖模光纖振蕩器、摻鉺光纖預放大器、超連續(xù)產生、二級摻鉺光纖預防大器、雙包層Er／Yb共摻光纖主放大器、光參量放大器和輸出監(jiān)測系統(tǒng)。YUKUN QIN等人利用自制的碳納米管鎖模光纖振蕩器得到中心波長1561 nm、光譜帶寬8 nm（對應的變換極限脈沖寬度為315fs（sech2））、重復頻率33．9 MHz，平均功率1．7 mW的種子光輸出，并緊接著將其輸入第一級摻鉺光纖預放大器，由于該放大器的增益光纖為正色散光纖，種子光的平均功率被放大到68 mW的同時，其光譜寬度也展寬至40 nm。放大后的脈沖經過90：10的耦合器，90％的能量作為信號光進入高非線性光纖（HNLF）產生超連續(xù)，之后利用帶通濾波器濾出波長為1410 nm的光譜成分（如圖2b所示）。10％的泵浦光經過中心波長1543 nm、帶寬5 nm的帶通濾波器之后進入二級預防大，泵浦光平均功率被放大到30 mW。利用光學延遲線同步后的泵浦光和信號光經過波分復用器合束之后進入主放大器，泵浦光平均功率被進一步放大到7W。最后，信號光和放大后的泵浦光進入DSF中進行參量放大，得到平均功率大于1 W的1700 nm激光輸出。并對輸出光特性進行檢測。

圖2 產生1700 nm激光光源的（a）PM－DSF相位匹配條件，（b）第三部分產生的超連續(xù)譜（c）1 kW啁啾泵浦光（1543 nm）引起的參量增益的頻譜圖（d）第四部分泵浦光的光譜圖 ［1］

根據模擬的結果以及DSF中的相位匹配條件，選用160 ps的負啁啾泵浦光（1543 nm）和90 ps的負啁啾信號光（1410 nm）產生1700 nm的閑散光。光參量放大的結果如圖3所示，相比于未同步的情況，同步之后的能量轉化效率顯著提升。當泵浦功率為6．5 W時，1700 nm閑散光功率為1．42 W（能量轉換效率21％），脈沖能量超過40 nJ，光譜寬度約為32 nm（對應變換極限脈寬200 fs），壓縮后脈沖寬度為450 fs。

圖3 產生1700 nm的FOPCPA的輸出結果 ［1］

產生1300 nm光源的裝置圖如圖4所示，與圖1相比，主要有兩點不同：（1）產生超連續(xù)后的信號光沒有經過濾波；（2）所用參量增益光纖為康寧公司的一款色散位移光纖，簡稱為LSF。

圖4 基于FOPCPA產生1700nm光源的實驗裝置圖 ［2］

產生1300 nm激光光源的光參量放大結果如圖5所示，根據LSF中的相位匹配條件，當泵浦光波長為1543 nm時，可以放大1300 nm的信號光和1900 nm的閑散光。當泵浦功率為7．4 W時，得到1．1 W的1300 nm信號光（能量轉化效率15％），對應的脈沖能量為20 nJ（重復頻率53．48 MHz），信號光光譜寬度約為12 nm，脈沖寬度為306 fs。

圖5 產生1300 nm的FOPCPA的輸出結果 ［2］

YUKUN QIN等人將1300 nm激光耦合到多光子顯微鏡中對生物組織成像，在三種樣品中都獲得了高信噪比的雙光子激發(fā)熒光（2PEF）和三倍頻信號。其中檸檬樹葉（a），豌豆種子切片（b）和未染色的小鼠大腦切片（c）的多光子圖像如圖6所示。

圖6 基于1300 nm光源的多光子顯微鏡成像 ［2］

YUKUN QIN等人利用FOPCPA技術，首次產生了平均功率瓦級的1300 nm和1700 nm兩個重要生物醫(yī)學窗口波長的高能量光源。系統(tǒng)基于全光纖設計，結構緊湊，穩(wěn)定性強，有利于適應實驗室以外的應用場景。

審核編輯：符乾江