可調(diào)諧兆瓦級(jí)亞20fs可見光光纖激光源的研發(fā)突破及其應(yīng)用前景

    生物醫(yī)學(xué)成像對(duì)細(xì)胞動(dòng)態(tài)過程的微觀解析、超快光譜學(xué)對(duì)分子瞬態(tài)躍遷的精準(zhǔn)捕捉等前沿領(lǐng)域，波長可調(diào)諧且脈沖持續(xù)時(shí)間極短的超快激光脈沖，始終是支撐科學(xué)研究與技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵工具。然而，長期以來，此類激光源的發(fā)展受限于兩大核心制約：一是依賴結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂的泵浦激光系統(tǒng)，難以脫離實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用；二是在脈沖時(shí)長、單脈沖能量與調(diào)諧范圍等關(guān)鍵指標(biāo)上難以兼顧，無法滿足多場景下的綜合性能需求。近日，英國赫瑞瓦特大學(xué)（HeriotWattUniversity）與巴斯大學(xué)（UniversityofBath）的MohammedSabbah團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)期刊《Optica》（2025年第12卷第6期）發(fā)表研究成果，提出一種基于技術(shù)融合的創(chuàng)新方案，成功研發(fā)出緊湊高效的可調(diào)諧兆瓦級(jí)亞20飛秒（fs）可見光脈沖光纖激光源。該成果不僅突破了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，更為超快光學(xué)技術(shù)的工程化應(yīng)用與普及奠定了重要基礎(chǔ)。

    傳統(tǒng)超快可調(diào)諧激光源的技術(shù)局限
    當(dāng)前主流的超快可調(diào)諧激光源主要包括三類，但其各自的性能短板顯著，難以滿足多領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芗す獾男枨螅?br />     1.可調(diào)諧鈦寶石振蕩器：雖能生成最短5fs的超短脈沖，但在提升單脈沖能量時(shí)，脈沖持續(xù)時(shí)間會(huì)顯著延長至100fs以上；且其固有調(diào)諧范圍局限于6801080nm，若需拓展至可見光短波段，需額外增加非線性轉(zhuǎn)換模塊，不僅提升系統(tǒng)復(fù)雜度，還會(huì)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率下降。實(shí)際應(yīng)用中，該類振蕩器的單脈沖能量通常不足10nJ，峰值功率約為100kW，難以支撐高非線性效應(yīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
    2.光學(xué)參量放大器（OPA）：通過引入二次或三次諧波泵浦級(jí)，可實(shí)現(xiàn)可見光波段的調(diào)諧，但需依賴高能量放大泵浦激光系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且運(yùn)行重復(fù)率較低（通常低于10MHz）。例如，Mevert等人研發(fā)的50MHz高功率可見光參量振蕩器，雖在480720nm范圍內(nèi)輸出0.45W功率，但其脈沖持續(xù)時(shí)間長達(dá)268fs，無法滿足超快時(shí)間分辨率需求。
    3.濾波超連續(xù)譜源：雖具備結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)諧速度快的優(yōu)勢，但存在脈沖持續(xù)時(shí)間長（通常超過300fs）、濾波后單脈沖能量低、時(shí)間相干性不足等問題，難以應(yīng)用于對(duì)脈沖質(zhì)量與能量要求較高的場景（如多光子成像、精密光譜分析）。

    創(chuàng)新技術(shù)方案：增益管理非線性放大與共振色散波的融合
    Sabbah團(tuán)隊(duì)的核心突破在于將“增益管理非線性放大（GainManagedNonlinearAmplification,GMNA）”與“共振色散波（ResonantDispersiveWave,RDW）發(fā)射”兩項(xiàng)技術(shù)深度融合，構(gòu)建了“短脈沖生成高效放大寬譜調(diào)諧”的一體化系統(tǒng)，從根本上解決了傳統(tǒng)技術(shù)的矛盾。
    1.增益管理非線性放大（GMNA）：實(shí)現(xiàn)短脈沖的高能量放大
    GMNA技術(shù)的核心優(yōu)勢在于摒棄傳統(tǒng)放大所需的“預(yù)啁啾”步驟，通過簡化架構(gòu)實(shí)現(xiàn)低能量種子脈沖向高能量短脈沖的高效轉(zhuǎn)化。其技術(shù)路徑如下：
    種子脈沖生成：采用基于非線性放大環(huán)鏡（NonlinearAmplifyingLoopMirror,NALM）的全保偏鎖模摻鐿光纖振蕩器，該設(shè)計(jì)依托Sagnac環(huán)的人工可飽和吸收體，避免了物理可飽和吸收體的退化問題，保障長期運(yùn)行穩(wěn)定性。振蕩器工作重復(fù)率為48MHz，輸出單脈沖能量0.36nJ、脈沖持續(xù)時(shí)間6.7ps，經(jīng)外光柵對(duì)壓縮后可縮短至215fs。
    脈沖重復(fù)率調(diào)控與前置放大：通過光纖耦合聲光調(diào)制器（FCAOM）將脈沖重復(fù)率降至4.8MHz，隨后注入芯徑10μm、長度1.2m的摻鐿增益光纖（976nm包層泵浦）進(jìn)行前置放大。放大后脈沖經(jīng)壓縮與濾波，單脈沖能量達(dá)0.3nJ，脈沖持續(xù)時(shí)間約1ps，光譜半最大值全寬（FWHM）為2.2nm。
    GMNA級(jí)核心放大：采用長度3.1m、模場直徑31μm的摻鐿單模偏振大模場面積光子晶體光纖（976nm泵浦吸收效率10dB/m）作為放大介質(zhì)。低能量亞皮秒脈沖在光纖中傳播時(shí)，自相位調(diào)制與縱向非對(duì)稱增益分布相互作用，生成具有近乎線性啁啾的寬帶光譜；再經(jīng)1000線/mm光柵對(duì)壓縮，最終獲得單脈沖能量最高520nJ、脈沖持續(xù)時(shí)間亞40fs、光譜帶寬122nm（中心波長約1030nm）的近紅外脈沖，為后續(xù)RDW調(diào)諧提供高質(zhì)量泵浦源。
    2.共振色散波（RDW）發(fā)射：實(shí)現(xiàn)可見光波段的寬范圍調(diào)諧
    為將近紅外泵浦脈沖轉(zhuǎn)化為可見光脈沖，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于反諧振空芯光纖（AntiResonantHollowCoreFiber,ARHCF）的RDW發(fā)生級(jí)，其核心設(shè)計(jì)與工作原理如下：
    ARHCF的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：采用“堆拉技術(shù)”制備長度35cm、芯徑36μm、芯壁厚度150nm的ARHCF，該光纖包含9個(gè)諧振單元，其傳輸帶覆蓋10101140nm（泵浦脈沖波段）與380700nm（可見光波段），且在上述波段的引導(dǎo)損耗低于0.3dB/m，有效避免了高損耗諧振區(qū)對(duì)RDW生成的干擾。
    RDW調(diào)諧機(jī)制：將ARHCF密封于氣室中，通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)氬氣壓力（2075bar）控制相位匹配條件——氣壓降低時(shí)，RDW波長向短波方向偏移；氣壓升高時(shí)，波長向長波方向偏移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)400700nm可見光波段的連續(xù)調(diào)諧，若進(jìn)一步提升氣壓，調(diào)諧范圍可延伸至700nm以上。
    能量轉(zhuǎn)換效率：GMNA輸出的350nJ泵浦脈沖（耦合效率87%）注入ARHCF后，RDW單脈沖能量最高達(dá)39nJ，轉(zhuǎn)換效率約13%，顯著高于傳統(tǒng)空芯光纖RDW系統(tǒng)（通常低于5%），這一成果得益于ARHCF的低損耗設(shè)計(jì)與泵浦脈沖的高質(zhì)量特性。

    激光源的核心性能指標(biāo)與穩(wěn)定性
    該可調(diào)諧可見光光纖激光源在脈沖時(shí)長、峰值功率、調(diào)諧范圍與運(yùn)行穩(wěn)定性等維度均實(shí)現(xiàn)突破，性能全面優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)方案：
    1.脈沖持續(xù)時(shí)間：在400700nm調(diào)諧范圍內(nèi)，所有波長對(duì)應(yīng)的脈沖持續(xù)時(shí)間均小于20fs，最短可達(dá)13fs（510nm波段），接近變換極限，能夠滿足超快瞬態(tài)過程（如電子躍遷、分子振動(dòng)）的時(shí)間分辨率需求。
    2.峰值功率：基于39nJ的單脈沖能量與13fs的脈沖持續(xù)時(shí)間，計(jì)算得出峰值功率高達(dá)2.2MW，較傳統(tǒng)鈦寶石振蕩器（約100kW）提升20倍以上，可有效驅(qū)動(dòng)高非線性效應(yīng)相關(guān)應(yīng)用（如強(qiáng)場物理實(shí)驗(yàn)、精密微納加工）。
    3.調(diào)諧范圍：400700nm的可見光全覆蓋，填補(bǔ)了鈦寶石振蕩器無法覆蓋400680nm短波段的空白，可適配多光子成像（如520nm綠光用于熒光標(biāo)記成像）、材料光譜分析（如450nm藍(lán)光用于半導(dǎo)體能帶探測）等不同場景需求。
    4.運(yùn)行穩(wěn)定性：連續(xù)數(shù)十小時(shí)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測顯示，放大器與ARHCF的性能無衰減；通過150MHz光電二極管對(duì)濾波后RDW脈沖序列的監(jiān)測表明，其相對(duì)強(qiáng)度噪聲僅為0.8%，接近GMNA輸出的0.7%，滿足長期穩(wěn)定運(yùn)行需求。
    5.系統(tǒng)緊湊性：核心模塊包括振蕩器、前置放大級(jí)、GMNA級(jí)與RDW級(jí)，無需復(fù)雜自由空間光學(xué)組件；前兩級(jí)可替換為單臺(tái)高功率振蕩器，未來可實(shí)現(xiàn)全光纖集成，設(shè)備體積與成本較傳統(tǒng)鈦寶石或光學(xué)參量放大系統(tǒng)降低60%以上。

    應(yīng)用場景拓展與技術(shù)擴(kuò)展?jié)摿?br />     該激光源的研發(fā)成功，不僅為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了高性能工具，更將推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、工業(yè)制造等領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)。
    1.生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
    亞20fs的超短脈沖可最大限度降低生物組織的光損傷（避免長時(shí)間照射導(dǎo)致的細(xì)胞壞死），結(jié)合400700nm的調(diào)諧范圍與兆瓦級(jí)峰值功率，可顯著提升多光子成像的分辨率與深度：例如，在腦部神經(jīng)成像中，520nm綠光可精準(zhǔn)激發(fā)熒光標(biāo)記的神經(jīng)元，13fs的時(shí)間分辨率可捕捉神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)連接過程；在癌癥早期診斷中，450nm藍(lán)光可增強(qiáng)病變細(xì)胞的散射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微小病灶的精準(zhǔn)識(shí)別。
    2.材料科學(xué)領(lǐng)域
    超快時(shí)間分辨率（13fs）可用于捕捉分子振動(dòng)、電子躍遷等瞬態(tài)過程，為新型功能材料的研發(fā)提供關(guān)鍵支撐：在光伏材料研究中，可實(shí)時(shí)觀測光生載流子的分離與復(fù)合過程，助力高效光伏電池的設(shè)計(jì)；在量子點(diǎn)材料研究中，可解析量子限域效應(yīng)下的電子動(dòng)態(tài)，推動(dòng)量子器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
    3.工業(yè)制造領(lǐng)域
    系統(tǒng)的緊湊性與穩(wěn)定性使其具備工程化應(yīng)用潛力，可替代傳統(tǒng)激光設(shè)備用于半導(dǎo)體芯片微納加工（如700nm波長適配硅基材料的精細(xì)刻蝕）、精密檢測（如400nm短波識(shí)別芯片表面微小缺陷）、新能源器件（如鋰電池電極）的表面改性等場景，無需實(shí)驗(yàn)室級(jí)配套設(shè)施，可直接部署于生產(chǎn)線。

    技術(shù)擴(kuò)展?jié)摿?br />     從技術(shù)迭代角度看，該系統(tǒng)具備進(jìn)一步拓展的空間：
    光譜范圍延伸：通過引入二次諧波產(chǎn)生級(jí)，可將調(diào)諧范圍拓展至深紫外區(qū)域（<400nm），適配殺菌、光刻等場景；若用拉曼活性氣體填充ARHCF，可實(shí)現(xiàn)孤子自頻率紅移，覆蓋紅外波段（>700nm），滿足遙感、分子指紋識(shí)別等需求。
    集成化升級(jí)：當(dāng)前系統(tǒng)包含少量自由空間光學(xué)組件，未來可通過光纖耦合光柵、集成化氣室等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全光纖集成，進(jìn)一步縮小設(shè)備體積、提升環(huán)境適應(yīng)性。
    MohammedSabbah團(tuán)隊(duì)研發(fā)的可調(diào)諧兆瓦級(jí)亞20fs可見光光纖激光源，通過GMNA與RDW技術(shù)的創(chuàng)新融合，突破了傳統(tǒng)超快激光源“高性能與實(shí)用性難以兼顧”的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了“短脈沖、高功率、寬調(diào)諧、高穩(wěn)定”的綜合性能目標(biāo)。該成果不僅為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了更高效的工具，更推動(dòng)超快光學(xué)技術(shù)從“實(shí)驗(yàn)室級(jí)高精尖設(shè)備”向“工程化實(shí)用化產(chǎn)品”轉(zhuǎn)型，為生物醫(yī)學(xué)、先進(jìn)制造、新能源等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新注入新動(dòng)力。未來，隨著集成化、小型化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該類激光源有望在更多場景落地應(yīng)用，成為推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。