CN114946090A - 光纤激光器*** - Google Patents
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Abstract
一种光纤激光器***，包括：主激光器腔，用于生成主激光束；分束器，用于将主激光束分成用于生成第一色脉冲激光束的第一束，和用于生成第二色脉冲激光束的第二束；以及同步组件，被配置为基于相干波长生成使第一色脉冲激光束和第二色脉冲激光束同步。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，涉及光纤激光器***，尤其涉及一种用于泵浦探针应用的光纤激光器***。
背景技术
长期以来，材料检查和生物医学研究都需要化学特异性和非破坏性检验。在各种技术中，流行的光学泵浦探针方法以优异的时间和光谱分辨率揭示了化学特征。它的原理是用泵浦激光脉冲激发感兴趣的样品，并用超稳定的同步探针激光脉冲检测诱发的变化。然而，泵浦探针技术的扩展应用长期以来一直受到与环境敏感的操作和大尺寸相关联的昂贵的固态激光源的阻碍。基于光纤的超快激光器可以潜在地克服这些缺点，但因为当前的实施方式受到低功率谱密度和强度稳定性降级的限制，所以尚未被充分开发用于泵浦探针应用。
发明内容
下面呈现本发明的简化概要，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。本概要不是本发明的广泛概述。其目的既不是识别本发明的主要或关键元素，也不是标示本发明的范围。相反，本概要的唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为下文所呈现的更详细描述的前序。
本文公开了新颖的双色低噪声皮秒(ps)和/或飞秒(fs)光纤激光器***，其在强度稳定性、功率可伸缩性和扩展的波长可调谐性方面提供了优异的性能。更重要的是，本文描述的激光源是紧凑的，并且可以直接集成到现有的成像或光谱***。与同步脉冲生成起因于噪声的先前实现不同，本文的双色脉冲激光束之间的同步以被动稳定和自稳定的方式基于相干波长生成(CWG)，这导致卓越的稳定性。在激光输出端实施的高功率放大使得能够实现瓦特/纳米级的功率谱密度。此外，同步机制可以不考虑波长而被应用，因此，本文描述的***的工作范围可以扩展到多个波长带。
泵浦探针测量是用体积大且对环境敏感的同步固态激光器或不稳定且功率不足的光纤激光器执行的。激光源由两部分构成：泵浦束用于激发样品，生成非平衡态；探测束用于监测泵浦诱发的样品的光学常数的改变。
本文描述了一种新颖的双色低噪声皮秒光纤激光器***，该***在强度稳定性、功率可扩展性和波长可调谐性方面具有优异的性能。更重要的是，激光源是紧凑的，可以直接集成到现有的成像或光谱***。双色脉冲激光束之间的同步以被动稳定和自稳定的方式基于相干波长生成(CWG)，这导致卓越的稳定性。在激光输出端实施的高功率放大使得能够实现瓦特/纳米级的功率谱密度。此外，同步机制可以不考虑波长而被应用，因此，该***的工作范围可以扩展到多个波长带。
低噪声和自同步双色脉冲光纤激光器***由相干波长生成(CWG)通过交叉相位调制(XPM)辅助，提供了优异的稳定性。本文的激光***具有更高的输出功率谱密度并且结构紧凑。
在一方面，本发明提供了一种光纤激光器***，包括：
主激光器腔，用于生成主激光束；
分束器，用于将主激光束分成用于生成第一色脉冲激光束的第一束，和用于生成第二色脉冲激光束的第二束；以及
同步组件，被配置为基于相干波长生成使第一色脉冲激光束和第二色脉冲激光束同步。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，第一脉冲激光束和第二脉冲激光束中的每一个独立地具有10皮秒或更少或10飞秒或更少的脉冲宽度。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，第一脉冲激光束和第二脉冲激光束中的每一个独立地具有从900纳米到2200纳米的波长。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，第一脉冲激光束为斯托克斯束，第二脉冲激光束为泵浦束。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，主激光器腔是被动锁模光纤激光器。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，主激光器腔包括一段掺镱光纤、***式偏振控制器和基于光纤的光学集成模块。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，主激光器腔还包括用于生成***触发信号的光电二极管。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，同步组件是相干波长生成振荡器。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，相干波长生成振荡器包括：一段掺铒光纤、***式偏振控制器、基于光纤的光学集成模块和波分复用耦合器；其中，波分复用耦合器用于接收外部注入。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，分束器是光纤光学耦合器。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，还包括用于第一色脉冲激光束的第一双包层光纤放大器和用于第二色脉冲激光束的第二双包层光纤放大器。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，还包括用于在空间上组合第一色脉冲激光束和第二色脉冲激光束的分色镜。
根据本发明的光纤激光器***，优选地，还包括用于在时间上重叠第一色脉冲激光束和第二色脉冲激光束的延迟线。
在另一方面，本发明提供了一种利用上述光纤激光器***的泵浦探针应用的方法，包括：
将主激光束分成用于生成第一色脉冲激光束的第一束和用于生成第二色脉冲激光束的第二束；以及
基于相干波长生成，使第一色脉冲激光束和第二色脉冲激光束同步。
为了实现上述和相关目的，本发明包括以下充分描述和权利要求中特别指出的特征。下面的描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性方面和实施方式。然而，这些仅指示了本发明原理可以被采用的各种方式中的几种。当结合附图考虑时，本发明的其他目的、优点和新颖特征将从下面对本发明的详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是根据本文实施例的双色脉冲光纤激光器的原理图。
图2示出了根据本文实施例的双色脉冲光纤激光器的一系列六个谱特性。
图3示出了根据本文实施例的双色脉冲光纤激光器的一系列六个时间特性。
具体实施方式
本文公开了双色低噪声皮秒光纤激光器***，用于提供以至少两个波长工作的高稳定脉冲激光器。两个激光器都可以放大到瓦特级功率。激光器能够直接用作泵浦探针光谱或显微镜的源而无需平衡检测。使用泵浦探针检测方法为相干拉曼散射(CRS)显微镜专门设计的激光源展示如下。按照惯例，在CRS显微镜中，泵浦束被命名为斯托克斯束，而探针束被命名为泵浦束。CRS显微镜通常需要双色激发：高频束称为泵浦束，而低频束称为斯托克斯束。受激拉曼散射(SRS)显微镜是利用泵浦探针检测方法的一类CRS显微镜。如图1的配置所描述，在泵浦探针检测中斯托克斯束被用作泵浦束，而在泵浦探针检测中泵浦束被用作探针束。
激光源的原理图在图1中被示出。在双色激光器***中，存在四个部分：1)1μm(斯托克斯波长)的被动锁模；2)1.5μm的光学同步；3)1.5μm光的脉冲放大和倍频到约790nm(泵浦波长)；4)空间和时间延迟管理。
1)***中的斯托克斯束最初由主激光器腔生成，主激光器腔由一小段掺镱光纤(Yb)、***式偏振控制器(PC)和基于光纤的光学集成模块(OIM)构成，该模块提供偏振敏感隔离、泵浦/信号复用和信号提取。被动锁模是通过非线性偏振旋转(NPR)实施的，是一种在全正常色散区生成自启动稳定fs脉冲的可靠技术。输出脉冲串具有约20mW的平均功率，80MHz的基本重复频率(FRR)。它的输出通过使用50：50光纤耦合器(OC)被分成两个部分，分别馈送斯托克斯束分支和泵浦束分支。这里，通过使用从主激光器接收泄漏的束的光电二极管(PD)来生成***触发信号。
2)主fs激光器的剩余功率被注入CWG振荡器，该振荡器在图1中由左上角的虚线矩形突出显示，用于生成1.5μm的稳定的自同步激光脉冲，其最终被用作泵浦束。利用掺铒光纤(Er)构成的CWG振荡器具有与主激光器腔类似的结构，除了额外的波分复用(WDM)耦合器被用于接收外部注入之外。在没有外部注入的情况下，CWG振荡器在准连续波(CW)区操作。一旦1.0μm激光束被注入，CWG振荡器就被迫生成与斯托克斯束同步的稳定的ps脉冲串，这是NPR脉冲压缩、XPM和色散的组合效应导致的。
3)对于斯托克斯束放大，1.0μm波长生成的fs脉冲中的50％通过使用FCPA方案来放大。为此，fs脉冲首先在单模光纤(SMF，50米)中线性啁啾，这之后，啁啾脉冲被芯泵浦掺镱光纤放大器(YDFA)预放大。随后，使用直列式光纤耦合强度调制器(FIM)通过20MHz正弦波对脉冲进行调制，这实现＞20dB的强度调制深度。啁啾脉冲的平均功率被双包层YDFA(DC-YDFA)进一步放大到>1.0W，该DC-YDFA由高性价比多模光纤耦合泵浦激光器二极管(MMFPLD)进行包层泵浦。放大后的激光束通过光纤准直器(FC1)被发射到自由空间用于脉冲压缩。图1中右下虚线矩形内示出的脉冲压缩器由光栅(G)对和光学望远镜(L1和L2)组建。在L1的焦平面处放置狭缝以执行窄带光谱滤波。
1.5μm的同步激光脉冲串然后被双包层掺铒/掺镱光纤放大器(DC-EDFA)放大到约1W。这里，由于比起斯托克斯束中的fs脉冲，ps脉冲对光纤非线性不那么敏感，所以FCPA没有被利用。放大后的1.5μm脉冲串的光波长由周期极化铌酸锂(PPLN)晶体中的二次谐波生成(SHG)倍频到可见光区，并作为泵浦束。
4)在使用分色镜(DM)和光学延迟线(DL)对泵浦束和斯托克斯束进行空间和时间重叠后，组合束被耦合到我们定制的激光扫描显微镜中。
回到图1，图1是双色脉冲光纤激光器的原理图。1.0μm的被动锁模光纤激光器以80MHz的重复率生成fs脉冲串。它的输出由光纤耦合器(OC)分成两个分支，分别用于生成斯托克斯束和泵浦束。在由分色镜(DM)将斯托克斯束和泵浦束在空间上组合，并由延迟线(DL)将它们在时间上重叠之后，双色激光束被发射到定制的激光扫描显微镜中。
基于图1中示出的双色脉冲光纤激光器，一种用于泵浦探针应用的方法包括以下步骤：
将主激光束分成两个分支用于生成斯托克斯束和泵浦束；
基于相干波长生成，使斯托克斯束和泵浦束同步；
在空间上组合斯托克斯束和泵浦束并在时间上将它们重叠；以及
将双色激光束发射到定制的激光扫描显微镜中。
在图1中，采用了以下的缩写。DC-EDFA：双包层掺铒/掺镱光纤放大器；DC-YDFA：双包层掺镱光纤放大器；Er：掺铒光纤；F：滤波器；FC：光纤准直器；FIM：光纤耦合强度调制器；G：光栅；L：透镜；M：反射镜；OIM：基于光纤的光学集成模块；PBS：偏振分束器；PC。偏振控制器；PD：光电二极管；PPLN：周期性极化铌酸锂晶体；SMF：单模光纤；WDM：波分复用耦合器；XPM：交叉相位调制；Yb：掺镱光纤；YDFA：掺镱光纤放大器；λ/2：半波板；λ/4：四分之一波板。
在一实施例中，描述了用于泵浦探针应用的同步双色低噪声皮秒脉冲光纤激光***。在这个设计中，同步以被动稳定和自稳定的方式基于相干波长生成(CWG)，这导致卓越的稳定性。此外，同步双色低噪声皮秒脉冲光纤激光器***中的双包层光纤放大导致高功率谱密度输出(每纳米瓦特级)。该同步方案能够应用于多个波长带。它的多功能性使得能够实现高对比度和快速泵浦探针成像和光谱测量，而无需通过应用平衡检测方案进行复杂的降噪。
在另一实施例中，本文提供的是使用单个元件构建fs全光纤激光器腔的方法和***。
在另一实施例中，本文提供的是用于构建取代传统笨重的固态激光源的紧凑型双色光纤激光源的方法和***。
在另一实施例中，本文提供了基于相干波长生成被动同步双色脉冲激光束的方法和***，具有优异的强度稳定性和低时间抖动。
在另一实施例中，本文提供了用于生成波长可调谐双色激光束的方法和***。
在另一实施例中，本文提供了用于从使用不同对比度进行非线性生物成像的相同激光器***生成fs和ps脉冲两者的方法和***。在一个实施例中，超短激光脉冲意味着100皮秒(ps)或更少或300飞秒(fs)或更少的激光脉冲。在另一实施例中，超短激光脉冲意味着10皮秒(ps)或更少或100飞秒(fs)或更少的激光脉冲。在又一实施例中，超短激光脉冲是指皮秒(ps)或更少或10飞秒(fs)或更少的激光脉冲。
在另一实施例中，本文提供了用于使用具有高性价比和功率效率的双包层增益光纤和包层泵浦方案生成瓦特级皮秒脉冲的方法和***。
在另一实施例中，本文提供了用于将任何现有激光器与覆盖从900nm到2200nm波长的光纤激光器同步的方法和***。在又一实施例中，本文提供了用于将任何现有激光器与覆盖从1000nm到2000nm波长的光纤激光器同步的方法和***。
在另一实施例中，本文提供了用于在没有平衡检测器的情况下执行泵浦探针检测的方法和***，这大大降低了***复杂性。
在另一实施例中，本文提供了用于将激光源应用于具有高空间和时间分辨率的泵浦探针显微镜的方法和***。
例如，使用同步双色低噪声皮秒脉冲光纤激光器***的一个应用是对人体成像，诸如脑成像。另一应用涉及在受激拉曼散射(SRS)相干成像***中使用同步双色低噪声皮秒脉冲光纤激光器***。
示例
下面的示例说明了本发明的主题。除非在下面的示例中以及说明书和权利要求中的其他地方另有说明，否则所有部分和百分比按重量计算，所有温度以摄氏度为单位，压强在大气压或接近大气压。
在一项研究中，实施了为相干拉曼散射显微镜专门设计的双色激光光源，其利用了泵浦探针检测方法。
图2示出了双色脉冲光纤激光器的谱性能。主fs激光器的中心波长能够在1010nm到1060nm之间粗调谐(图2a)，其中带宽约为8.0nm，由腔内滤波器(F1)定义。精细的谱调谐，即图2b，通过平移脉冲压缩器中的狭缝获得，这使得能够实现连续波长扫描，其中有效带宽约为1.0nm。另一方面，CWG振荡器的中心波长能够从1540nm到1590nm连续精细调谐，其中带宽<1.0nm(图2c)。图2D示出了典型的SHG谱，其从1578nm倍频并具有0.35nm的谱宽度，对应于2.6ps的变换受限高斯脉冲宽度。SHG晶体之后泵浦束的平均功率＞160mW，足以用于CRS成像。值得注意的是，通过进一步优化PPLN晶体的SHG效率，可能获得＞1W的SHG输出功率。当前的双色脉冲光纤激光器可以在高波数区域内覆盖从2700～3550cm-1的广范围拉曼共振，包括在2845cm-1处主要与脂类相关联的CH2伸缩共振以及在2920cm-1处细胞蛋白质的共振。为了证明高光谱CRS的能力，用这种光纤激光源测量了标准样品(诸如二甲基亚砜(DMSO)和甲醇)的SRS谱，并与自发拉曼谱进行了比较(图2e、图2f)。
具体参考图2，图2示出了双色脉冲光纤激光器的一系列谱特性。a.1.0μm处的被动锁模光纤激光器的粗调谐范围，由腔内滤波器(F1，约8.0nm通带)调谐。b.斯托克斯束的精细调谐范围，1010-1060nm，由脉冲压缩器的狭缝调谐，即，图1中右下虚线矩形，其具有约1.0nm的有效通带。c.1.5μm处的相干波长生成器的调谐范围，由腔内滤波器(F2，＜1.0nm的通带)调谐。d.中心在789nm处的典型的SHG谱，即，泵浦束。值得注意的是，所有图形的强度都已经归一化。e.甲醇样品的SRS谱与其自发拉曼(SR)谱的比较。f.二甲基亚砜(DMSO)样品的SRS谱与其自发拉曼谱(SR)的比较。
现在参考图3，图3示出了双色脉冲光纤激光器的一系列时间特性。a.分别在1017nm和789nm的斯托克斯束和泵浦束的实时脉冲串，由20GHz实时示波器记录。图S6中还提供了斯托克斯束和泵浦束的扩展脉冲串(长达500μs)，其详细说明了这种双色脉冲光纤激光器异常低的强度噪声。b.由20MHz正弦函数调制的斯托克斯束的实时脉冲串。调制深度高于99％。c.泵浦束和斯托克斯束的自相关迹以及斯托克斯束在调谐范围内的脉冲宽度稳定性。d.泵浦束和斯托克斯束两者在100分钟内的长期功率稳定性。在这次测量中，泵浦(789nm)束和斯托克斯(1017nm)束的输出功率分别被设定为约100mW和约550mW。它们的均方根(RMS)功率波动分别只有0.1％和0.5％。e.通过和频生成(SFG)的光学互相关测量。灰色和黑色曲线示出了在光学互相关迹(蓝色)的峰值和半最大值处监测到的SFG强度。f.双色脉冲光纤激光器的相对强度噪声(RIN)谱，其与标准固态fs激光器(Spectra-PhysicsMaiTai)和典型的超连续(SC)光纤激光器进行比较。
图3a描绘了泵浦束和斯托克斯束的实时脉冲串，由20GHz实时示波器测量。长的实时脉冲串的均匀强度指示低强度波动，这对高质量SRS成像至关重要。图3b示出了基于光纤的强度调制对SRS成像的好处，它显示了超过99％的调制深度。这种具有大调制深度的全光纤调制方案非常适用于SRS信号的锁定检测，是成本高昂的自由空间声学调制或电光调制(AOM/EOM)方案的有力替代品。如图3c所示，泵浦束和斯托克斯束两者的脉冲宽度分别测量为约2.7ps和3.2ps，在信号强度和分子灵敏度之间提供了合理的折衷。值得注意的是，与标准的基于OPO的双色激光器不同，在高光谱CRS实验中，当它们的波长跨大范围被调谐时，会遭受脉冲宽度的大的变化，而我们的双色光纤激光器在调谐范围内表现出恒定的脉冲宽度，即3.2±0.06ps，对应于仅1.8％的变化，这对获得的谱数据的高保真度至关重要。
然而，由于在SRS中从斯托克斯束到泵浦束的调制传输非常弱，激光源的噪声性能是关键参数，到目前为止，当利用基于光纤的激光源时，要求使用平衡检测方案。我们的双色脉冲光纤激光器的噪声性能在短期和长期的时间尺度上进行了研究。为了评估长时间段上的功率稳定性，通常为生物样品的长期成像考虑，泵浦束和斯托克斯束的平均功率分别被设置为约100mW和550mW，然后监测100分钟(图3d)。在这么长的时间段内，泵浦束和斯托克斯束的光功率波动分别只有0.1％和0.5％。泵浦脉冲和斯托克斯脉冲之间的时间抖动是根据通过将束聚焦到贝塔硼酸盐(BBO)晶体中获得的和频生成(SFG)信号的强度波动来估计的。
图3e示出了通过精确扫描泵浦束和斯托克斯束之间的延迟所测量的光学互相关迹，而灰色和黑色的曲线是在两个不同的延迟下，即0ps(峰值)和2ps(半最大值)，分别在10秒上监测到的SFG强度。因此，从SFG信号的强度波动和互相关迹的斜率计算出的时间抖动约为24.3fs，即脉冲宽度的约0.8％。双色束的相对强度噪声(RIN)也被表征出来，并与标准固态fs激光器(Spectra-Physics MaiTai)和典型的基于SC的光纤激光器进行比较(图3f)。在SRS成像的调制频率，即20MHz处，我们的光纤激光器的泵浦束和斯托克斯束具有相似的噪声水平，即分别约为-147dBc/Hz和-148dBc/Hz。请注意，这种性能使这种激光源与其他设计区分开来，在其他设计中，双色束中的一个通常在非线性转换过程后遭受到降级的噪声性能。在这里，这些双色束表现出同样低的RIN，因为与以前的实施方式相比，泵浦束的RIN已经提高了50dB--这是高质量SRS成像而不需要平衡检测的关键要求。
在使用分色镜(DM)和光延迟线(DL)对泵浦束和斯托克斯束进行空间重叠和时间重叠后，组合束被耦合到我们定制的激光扫描显微镜。
关于给定特性的任何图形或数字范围，一个范围的图形或参数可以与同一特性的不同范围的另一图形或参数相组合，以生成一数字范围。
除了在操作示例中或另有指示外，在说明书和权利要求书中使用的提及成分量、反应条件等的所有数字、数值和/或表述，在所有情况下都应理解为由术语“大约”所修饰。
虽然本发明是结合某些实施例来解释的，但应该理解的是，对于本领域的技术人员来说，在阅读本说明书之后，其各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，应当理解的是，这里所公开的发明旨在涵盖落入所附权利要求范围内的此类修改。
Claims (14)
1.一种光纤激光器***，包括：
主激光器腔，用于生成主激光束；
分束器，用于将所述主激光束分成用于生成第一色脉冲激光束的第一束，和用于生成第二色脉冲激光束的第二束；以及
同步组件，被配置为基于相干波长生成使所述第一色脉冲激光束和第二色脉冲激光束同步。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器***，其中，所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束中的每一个独立地具有10皮秒或更少或10飞秒或更少的脉冲宽度。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器***，其中，所述第一脉冲激光束和所述第二脉冲激光束中的每一个独立地具有从900纳米到2200纳米的波长。
4.根据权利要求1所述的光纤激光器***，其中，所述第一脉冲激光束是斯托克斯束，所述第二脉冲激光束是泵浦束，所述斯托克斯束的输出功率大于所述泵浦束的输出功率。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤激光器***，其中，所述主激光器腔是被动锁模光纤激光器。
6.根据权利要求5所述的光纤激光器***，其中，所述主激光器腔包括一段掺镱光纤、***式偏振控制器和基于光纤的光学集成模块。
7.根据权利要求6所述的光纤激光器***，其中，所述主激光器腔还包括用于生成***触发信号的光电二极管。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤激光器***，其中，所述同步组件是相干波长生成振荡器。
9.根据权利要求8所述的光纤激光器***，其中，所述相干波长生成振荡器包括：一段掺铒光纤、***式偏振控制器、基于光纤的光学集成模块和波分复用耦合器；其中，所述波分复用耦合器用于接收外部注入。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤激光器***，其中，所述分束器是光纤光学耦合器。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤激光器***，还包括用于所述第一色脉冲激光束的第一双包层光纤放大器和用于所述第二色脉冲激光束的第二双包层光纤放大器。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤激光器***，还包括用于在空间上组合所述第一色脉冲激光束和所述第二色脉冲激光束的分色镜。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤激光器***，还包括用于在时间上重叠所述第一色脉冲激光束和所述第二色脉冲激光束的延迟线。
14.一种利用根据权利要求1-13中任一项所述的光纤激光器***用于泵浦探针应用的方法，包括：
将主激光束分成用于生成第一色脉冲激光束的第一束和用于生成第二色脉冲激光束的第二束；以及
基于相干波长生成，使所述第一色脉冲激光束和第二色脉冲激光束同步。
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