同步泵浦光参量振荡器（SPOPO）能够将近红外脉冲转换到中红外波段，以满足光谱分析、医学治疗等领域对中红外超短脉冲的需求。因为SPOPO需要实现泵浦光和谐振的信号光之间的时间同步，所以当泵浦光为高能量的低重复频率脉冲时，谐振腔的长度要足够长。为了克服低重复频率的SPOPO腔长过长、腔体复杂的问题，可以在谐振腔内加一段光纤作为延迟线（光纤反馈腔）。最近，研究者报道了用改进的MOPA系统作为泵浦源、基于空芯光纤反馈的光参量振荡器[1]。
图1为用到的全保偏掺镱光纤MOPA系统。种子源是一个增益开关激光二极管（GSLD），产生1040 nm、137 ps、64.0 MHz的脉冲，平均输出功率为0.37 mW。种子源之后是四级放大，前两级采用纤芯泵浦，后两级采用包层泵浦。在第四级放大中使用纤芯直径为30 μm的光纤，有利于减小非线性，提升系统功率水平。
图1 MOPA系统的结构图[1]如图2所示，MOPA系统的平均输出功率最高可达33.7 W；高峰值功率下可以在光谱上观察到自相位调制展宽；最大功率下输出脉冲宽度为137 ps，与种子源脉宽相近。
图2 MOPA系统的性能[1]
图3为利用上述MOPA系统作为泵浦源搭建的OPO的示意图。该OPO采用信号光谐振的环腔设计，非线性晶体选用掺5% MgO的周期性极化铌酸锂晶体（MgO:PPLN），反馈空芯光纤的损耗-波长曲线与截面结构如图4所示。OPO腔的整个自由空间长度为1.58 m，空芯光纤的长度为298 m。
图3 OPO的示意图[1]
图4 空芯光纤的损耗-波长曲线与截面图[1]
图5（a）为闲频光和信号光的输出平均功率、二者之和，及总转换效率随泵浦功率的变化曲线。闲频光和信号光最大功率分别可达5.13 W和10.05 W，总转换效率最大为55.5%。信号光和闲频光的最大脉冲能量（峰值功率）分别为10.05 µJ（72.3 kW）和5.13 µJ（36.9 kW）。信号光光谱的中心波长为1599.7 nm，半高全宽为0.09 nm；闲频光光谱的中心波长为2967 nm，半高全宽为7.49 nm（见图5（b））。
图5 平均输出功率与光谱[1]
改变晶体所处环境的温度（晶体被安装在加热炉中），并使用不同长度的晶体进行实验，测量输出信号光和闲频光的光谱，如图6（a）所示。这一OPO可以在1329-1641 nm和2841-4791 nm的波长范围内实现信号光和闲频光的调谐。图6（b）描述了不同波长下信号光和闲频光的最大输出功率，它们分别在1600 nm和3000 nm左右达到最大值。此外，将晶体在涉及波长下工作时的泵浦光谱接受带宽（实线）和实际泵浦谱线宽度（橙色虚线）也绘制在图6（b）中。可以看到，当理论泵浦接受带宽小于实际泵浦带宽时，功率会快速下降。为了提升功率，可以考虑从减小实际泵浦带宽入手。
图6 波长可调谐范围与功率的变化[1]
图7（a）为在1小时内测量的信号光和闲频光功率稳定性曲线，RMS值分别为1.34%和1.62%。图7（b）为OPO输出的信号光脉冲，脉冲宽度与泵浦光相同，这得益于OPO腔内较低的非线性和色散。
图7 功率稳定性与输出信号脉冲[1]分别在低输出功率和高输出功率的条件下测量信号光和闲频光的光束质量，如图8所示。在高功率下，光束质量明显下降，这可能是由泵浦损耗的不均匀性所导致的。
图8 低输出功率和高输出功率下信号光和闲频光的光束质量[1]
综上所述，这篇文章使用改进的MOPA系统泵浦空芯光纤反馈的OPO，获得能量高达5.13 μJ的中红外脉冲和10.05 μJ的近红外脉冲，总转换脉冲能量超过15 μJ；此外，采用不同参数的非线性晶体，实现宽波长范围内的调谐；在保证装置紧凑性的前提下，提供了一种获得高能量、波长可调谐的皮秒中红外脉冲的新方法，对医学治疗等领域的研究很有意义。
参考文献：
[1] Y. Wu, Q. Fu, S. Liang, F. Poletti, D. J. Richardson, and L. Xu, "15-µJ picosecond hollow-core-fiber-feedback optical parametric oscillator," Opt. Express 31(14), 23419 (2023).
原文标题 : 超快非线性光学技术之四十七 基于空芯光纤反馈的光参量振荡器
