【概述】 高功率飞秒中红外（MIR）激光辐射具有广泛的应用范围，包括分子光谱学、遥感、激光手术和材料加工。与固态激光器相比，基于光纤的MIR飞秒激光器在紧凑性、固有的高光束质量和环境可靠性方面具有明显的优势。传统的孤子自频移效应在输出主拉曼孤子脉冲的同时必然伴随着大量剩余泵浦脉冲和二阶孤子，限制了泵浦脉冲到主拉曼孤子的转换效率，进而阻碍了主拉曼孤子的输出功率、脉冲能量、光谱频移范围以及光谱纯度的进一步提升。针对此研究，深圳大学阮双琛教授、郭春雨教授团队提出了一种改进的孤子自频移系统，通过光纤级联带内泵浦方式，将剩余泵浦光完全转换到主拉曼孤子中，从而实现了高功率、宽调谐范围的拉曼纯孤子输出。
研究方法
通过一种基于氟化物纤维的紧凑型系统，该系统可产生3至3.8μm的单孤子。它是由一个Er：ZBLAN光纤振荡器和放大器组成，后跟一个熔接的Dy：ZBLAN光纤放大器。Er：ZBLAN光纤放大器可作为功率升压器和移频器，产生高达3μm的拉曼孤子。Dy：ZBLAN光纤放大器使用带内泵浦方案将残余2.8μm辐射的能量传输到拉曼孤子中，并进一步将波长扩展到3.8μm。伴随孤子自频移（SSFS）的常见残余泵辐射和二次孤子被回收以放大拉曼孤子，从而显示出更高的输出功率和脉冲能量以及更宽的移位范围和出色的光谱纯度。
研究结果
(1)掺铒氟化物光纤锁模振荡器提供稳定的种子脉冲输出。旋转振荡器中的波片，可在泵功率为 2.5 W 的情况下实现自启动模式锁定操作，该振荡器能够实现在30天内无需调整仍可每天稳定运行工作。
图1（a）锁模脉冲输出光谱，红色曲线代表对应的双曲正割拟合曲线。（b）锁模脉冲自相关迹。（c）基频频谱。（d）锁模脉冲序列。
(2)实验中，锁模信号光被注入到掺铒氟化物光纤放大器中。随着泵浦功率的增加，拉曼孤子形成并逐渐向更长波长移动。在整个调谐范围内，超过55%的总能量包含在拉曼孤子中。
图2（a）不同的泵浦功率下的输出光谱。（b）不同的泵浦功率下的总输出平均功率以及拉曼孤子的平均功率和中心波长。
(3)为了能够实现将拉曼孤子的频移范围进一步扩展，研究人员使用长度为11 m的掺镝氟化物光纤进行放大。脉冲能量下降主要是由于孤子自频移过程中的量子亏损及光纤的传输损耗而脉宽的增加可归咎于能量损失及更长波长下光纤色散和非线性的变化。
图3 11 m长掺镝氟化物光纤放大器的输出特性。（a）不同泵浦功率下的光谱演变及拉曼孤子对应的脉冲能量，虚线代表对应的双曲正割拟合曲线。（b）不同泵浦功率下的输出平均功率及对应的脉宽。
拉曼孤子的中心波长可以通过改变输入偏振来调整，记录输出光谱如图4所示。脉冲能量降低的主要原因是由于氟化物光纤在波长超过3.6 μm情况下传输损耗迅速增加，而通过使用具有更低传输损耗的掺镝氟代铟光纤或许能够实现波长的进一步扩展。
图4 在20 W泵浦功率下，11 m长掺镝氟化物光纤放大器的波长可调谐性和输出特性。（a）脉冲能量以及脉宽与拉曼孤子中心波长的关系，（b）可调谐光谱。
(4)激光噪声测量。图5（a）显示了基频下测得的RF频谱，其SNR>70 分贝，平均输出功率监控时间为30分钟（采集速率= 1 Hz）。图5（b）演示在1 ms时间内测量的拉曼孤子脉冲序列，证实了高时间稳定性。
图5.拉曼孤子在3.8μm处的稳定性测试。（a）分辨率带宽为10 Hz的RF频谱（b）30分钟内输出功率波动接近1.6 W。插图：示波器列车。
为了深入了解脉冲噪声特征，研究人员测量了拉曼孤子的单边带（SSB）相对强度噪声（RIN）。在10 Hz–10 MHz范围内积分，振荡器和放大器的RIN分别计算为0.24%和0.39%。这些结果表明，级联放大器引入了额外但微弱的噪声。
图6.SSB RIN 迹线和（a） 种子振荡器和（b）光纤放大器的集成 RMS 链网。
密尔点评
（1）该工作实现了从3 μm到3.8 μm波长范围的可调谐纯孤子输出且在3.8 μm波长处获得了脉宽为252 fs，平均功率为1.6 W，脉冲能量为23 nJ的稳定超短脉冲，进一步提升了在3.6 μm以上工作的超快光纤激光源的输出性能，这对于中波的创新应用提供了机遇；
（2）特别是在3 μm波长附近，水分子吸收存在极高的吸收峰，工程化之后可以与国外相关产品媲美，也有望在更微创精准的外科手术方面获得应用。
说明：
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