可调谐的高峰值功率超快激光脉冲在从近紫外到近红外的宽光谱范围内有着广泛应用，尤其在超快光谱学、非线性光学及成像技术等领域具有重要意义。然而，现有的可见光和近红外超快激光源在成本、复杂性、调谐范围和性能方面仍存在明显局限。钛宝石(Ti:sapphire)振荡器可以实现最短约5 fs的脉冲，但在高能量输出时脉宽通常会展宽到约100 fs，且可调谐范围仅限于680–1080 nm，若需扩展到可见光区则必须引入额外的非线性变换级，增加系统复杂度并降低效率。光参量放大器(OPA)虽然能够产生高能量超短脉冲，并通过多级倍频实现宽光谱调谐，但系统通常依赖高能量泵浦源，结构复杂且成本高。滤波超连续谱光源则在硬件上相对简单，但输出脉冲一般较长，能量和峰值功率受限，同时缺乏时间相干性，从而限制了部分超快应用。
基于空芯光纤的谐振色散波(Resonant Dispersive Wave, RDW)技术为实现宽光谱、可调谐的超短脉冲提供了一种有效途径。RDW的产生依赖于泵浦孤子与高阶色散的相位匹配，可在真空紫外到近红外的宽波段范围内获得可调谐的超短脉冲。然而，以往工作多依赖钛宝石或掺镱放大系统作为泵浦源，装置体积庞大且成本较高。为解决这一问题，本研究提出将增益管理非线性放大(Gain-managed nonlinear amplification, GMNA)与气体填充反谐振空芯光纤相结合，构建了一种紧凑高效的可调谐超快光源[1]。
实验装置如图1所示，振荡器输出的脉冲经FC-AOM降重频至4.8 MHz，经预放大后输出0.3 nJ的1 ps脉冲。之后，在3.1 m长的掺镱大模场光子晶体光纤中经过增益管理放大后，采用消色差半波片结合偏振分束器控制指向下一级的能量，随后使用1000 line/mm的光栅对压缩输出脉冲。输出脉冲经过气室传输到一根35 cm长的反谐振空芯光纤，纤芯直径为36 μ m，芯壁厚度为150 nm。
图1 实验装置[1]
图2 ( a )描绘了脉冲光谱随脉冲能量的演化，在观测到光谱不稳定之前，脉冲能量最高可达530 nJ，对应光谱带宽(在峰值处)为122 nm。作者利用SHG-FROG测量了时域脉冲，如图2 ( b )所示，脉冲宽度为38 fs，75 %以上的脉冲能量集中在主脉冲，峰值功率达~10 MW。
图2 ( a ) GMNA输出光谱随输出脉冲能量的演化；内插色条对应脉冲能量( nJ )。( b )在最大输出能量处的压缩脉冲[1]。
如图3(a)所示，调节充入空芯光纤中氩气的压强，RDW过程的相位匹配条件发生变化，因此生成的脉冲中心波长及脉冲能量也随之变化。对于较高的气体压强，RDW并没有从泵浦脉冲中干净地分离出来，而是形成了超连续谱的一部分。RDW的能量峰值在540 nm左右，能量为39 nJ，从耦合能量中得到的转换效率约为13 %。这种高转换效率归因于在泵浦脉冲波长和RDW波长之间的光纤传输光谱中没有高损耗共振带。RDW能量在500 nm以下的逐渐下降是由于泵浦脉冲能量不足以及在较低的气体压强下非线性较低导致。
图3( a )在芯径为36 μ m的反谐振光纤中，当氩气压强从20 bar变化到75 bar时，产生可调谐的RDW。( b- d )为( a )中加粗光谱对应的中心波长分别在520 nm、576 nm和660 nm的脉冲[1]。
由于RDW脉冲在光纤、准直透镜和空气等介质中传输，脉冲发生展宽。为了压缩RDW，作者首先使用850 nm的长通滤光片将RDW从光谱中过滤。然后通过一组啁啾镜以补偿在产生点之后获得的正色散。图4 ( a , b )分别显示了测量和提取的FROG轨迹。图4 ( d )显示脉冲宽度为13 fs，超过81 %的能量位于主峰内，峰值功率约为2.2 MW。
图4 RDW脉冲的测量 ( a )和反演( b )FROG曲线，( c )测量和反演频谱，( d )时域脉冲，( d )中的插图显示了近场光束轮廓[1]。
这项工作实现了一种基于GMNA泵浦的紧凑型可调谐超快激光源，能够在400–700 nm的可见光波段产生亚20 fs脉冲，单脉冲能量可达39 nJ，峰值功率超过2 MW，并且在4.8 MHz重复率下稳定运行。与传统基于钛宝石或OPA的RDW系统相比，该方案显著降低了系统复杂度、成本和体积。该系统结构简洁、效率高且可扩展性强，为构建高性能、低成本的超快可调光源提供了一种可行的方案。
参考文献：
[1] Sabbah, M., Mears, R., Murphy, L. R., Harrington, K., Stone, J. M., Birks, T. A., Travers, J. C. (2025). Tunable megawatt-scale sub-20 fs visible pulses from a fiber laser source. Optica, 12(6), 728-731.
原文标题 : 超快光纤激光技术之五十 覆盖可见光调谐范围兆瓦级亚20fs光纤激光源
可调谐的高峰值功率超快激光脉冲在从近紫外到近红外的宽光谱范围内有着广泛应用，尤其在超快光谱学、非线性光学及成像技术等领域具有重要意义。然而，现有的可见光和近红外超快激光源在成本、复杂性、调谐范围和性能方面仍存在明显局限。钛宝石(Ti:sapphire)振荡器可以实现最短约5 fs的脉冲，但在高能量输出时脉宽通常会展宽到约100 fs，且可调谐范围仅限于680–1080 nm，若需扩展到可见光区则必须引入额外的非线性变换级，增加系统复杂度并降低效率。光参量放大器(OPA)虽然能够产生高能量超短脉冲，并通过多级倍频实现宽光谱调谐，但系统通常依赖高能量泵浦源，结构复杂且成本高。滤波超连续谱光源则在硬件上相对简单，但输出脉冲一般较长，能量和峰值功率受限，同时缺乏时间相干性，从而限制了部分超快应用。
基于空芯光纤的谐振色散波(Resonant Dispersive Wave, RDW)技术为实现宽光谱、可调谐的超短脉冲提供了一种有效途径。RDW的产生依赖于泵浦孤子与高阶色散的相位匹配，可在真空紫外到近红外的宽波段范围内获得可调谐的超短脉冲。然而，以往工作多依赖钛宝石或掺镱放大系统作为泵浦源，装置体积庞大且成本较高。为解决这一问题，本研究提出将增益管理非线性放大(Gain-managed nonlinear amplification, GMNA)与气体填充反谐振空芯光纤相结合，构建了一种紧凑高效的可调谐超快光源[1]。
实验装置如图1所示，振荡器输出的脉冲经FC-AOM降重频至4.8 MHz，经预放大后输出0.3 nJ的1 ps脉冲。之后，在3.1 m长的掺镱大模场光子晶体光纤中经过增益管理放大后，采用消色差半波片结合偏振分束器控制指向下一级的能量，随后使用1000 line/mm的光栅对压缩输出脉冲。输出脉冲经过气室传输到一根35 cm长的反谐振空芯光纤，纤芯直径为36 μ m，芯壁厚度为150 nm。
图1 实验装置[1]
图2 ( a )描绘了脉冲光谱随脉冲能量的演化，在观测到光谱不稳定之前，脉冲能量最高可达530 nJ，对应光谱带宽(在峰值处)为122 nm。作者利用SHG-FROG测量了时域脉冲，如图2 ( b )所示，脉冲宽度为38 fs，75 %以上的脉冲能量集中在主脉冲，峰值功率达~10 MW。
图2 ( a ) GMNA输出光谱随输出脉冲能量的演化；内插色条对应脉冲能量( nJ )。( b )在最大输出能量处的压缩脉冲[1]。
如图3(a)所示，调节充入空芯光纤中氩气的压强，RDW过程的相位匹配条件发生变化，因此生成的脉冲中心波长及脉冲能量也随之变化。对于较高的气体压强，RDW并没有从泵浦脉冲中干净地分离出来，而是形成了超连续谱的一部分。RDW的能量峰值在540 nm左右，能量为39 nJ，从耦合能量中得到的转换效率约为13 %。这种高转换效率归因于在泵浦脉冲波长和RDW波长之间的光纤传输光谱中没有高损耗共振带。RDW能量在500 nm以下的逐渐下降是由于泵浦脉冲能量不足以及在较低的气体压强下非线性较低导致。
图3( a )在芯径为36 μ m的反谐振光纤中，当氩气压强从20 bar变化到75 bar时，产生可调谐的RDW。( b- d )为( a )中加粗光谱对应的中心波长分别在520 nm、576 nm和660 nm的脉冲[1]。
由于RDW脉冲在光纤、准直透镜和空气等介质中传输，脉冲发生展宽。为了压缩RDW，作者首先使用850 nm的长通滤光片将RDW从光谱中过滤。然后通过一组啁啾镜以补偿在产生点之后获得的正色散。图4 ( a , b )分别显示了测量和提取的FROG轨迹。图4 ( d )显示脉冲宽度为13 fs，超过81 %的能量位于主峰内，峰值功率约为2.2 MW。
图4 RDW脉冲的测量 ( a )和反演( b )FROG曲线，( c )测量和反演频谱，( d )时域脉冲，( d )中的插图显示了近场光束轮廓[1]。
这项工作实现了一种基于GMNA泵浦的紧凑型可调谐超快激光源，能够在400–700 nm的可见光波段产生亚20 fs脉冲，单脉冲能量可达39 nJ，峰值功率超过2 MW，并且在4.8 MHz重复率下稳定运行。与传统基于钛宝石或OPA的RDW系统相比，该方案显著降低了系统复杂度、成本和体积。该系统结构简洁、效率高且可扩展性强，为构建高性能、低成本的超快可调光源提供了一种可行的方案。
参考文献：
[1] Sabbah, M., Mears, R., Murphy, L. R., Harrington, K., Stone, J. M., Birks, T. A., Travers, J. C. (2025). Tunable megawatt-scale sub-20 fs visible pulses from a fiber laser source. Optica, 12(6), 728-731.
原文标题 : 超快光纤激光技术之五十 覆盖可见光调谐范围兆瓦级亚20fs光纤激光源
