——Ti:Sapphire振荡器、超连续光谱与光参量变换技术的比较
上海镱镭飞秒
引言
飞秒激光是现代科学与工业领域的重要工具，广泛应用于超快光谱学、非线性光学、材料科学等前沿研究。飞秒激光器凭借其极短脉冲和高峰值功率，使得对极快速动态过程的探测与控制成为可能。然而，传统激光器的波长范围有限，难以满足日益多样化的波长需求。诸如钛宝石激光器和掺镱激光器，尽管在某些应用中表现优异，但其波长覆盖范围较窄，调谐能力不足，无法适应跨学科应用中对多波长输出的要求。
为了拓展激光的波长范围，科研人员通常使用一系列非线性光学技术和设备，比如光参量放大（Optical Parametric Amplification, OPA）、光参量振荡（Optical Parametric Oscillation, OPO）、超连续谱产生（Supercontinuum Generation, SCG）谐波发生（Harmonic Generation，SHG/THG）等方法。通过这些方法不仅可以突破激光器本身的限制，还能大幅拓宽可调谐光谱范围。实现了广谱范围内的高效调谐输出，克服了传统激光器的局限性。它不仅为基础研究提供了高灵活性的光源，还在精密微加工、生物医学成像等领域展现出巨大潜力。本文将分析几种主流的飞秒宽带可调谐光谱技术，并阐明光参量放大技术（OPA）在未来发展中的重要性。
图1
在不同应用场景中，对宽带可调谐激光器的特性有着不同的要求。例如在光通信、生物医学成像、环境监测等领域，需要激光器能够覆盖宽广的光谱范围，调谐范围可以从可见光到近红外区域，即400-2300nm。在非线性光学、微纳加工、医学治疗中，激光器需要有足够的输出功率来实现有效的能量传递，平均功率要求从毫瓦到百瓦量级。因此，要通过采用不同的激光技术来实现不同应用场景下的需求。我们现阶段通常可以通过激光振荡器、超连续光谱展宽、光学参量转换等技术来实现宽带可调谐飞秒激光输出。
实现技术1：钛宝石激光振荡器
锁模激光振荡器是产生超短脉冲激光的种子源，是激光器的核心基础组件。可以说，没有振荡器就不会有激光，是激光之始。振荡器的工作原理是由泵浦源提供能量，将增益介质中的粒子从基态激发到激发态，通过谐振腔构成了一个光学反馈系统，使光在腔内多次反射，通过增益介质时不断得到放大，直到满足特定条件后从部分透射镜输出形成激光。
飞秒激光振荡器主要基于锁模技术，包括主动锁模和被动锁模两种方式。锁模技术通过调制激光器腔内的损耗或光程，实现激光振荡不同频率各纵模之间有确定的相位关系，即各纵模相邻频率间隔相等并固定为△ν=c/2nL，从而获得窄脉宽、高峰值功率的超短脉冲激光。
振荡器输出的激光波长范围、带宽、脉宽、重复频率、能量取决于所使用的增益介质特性和设计，例如常见选择之一的Ti:Sapphire振荡器的增益介质为掺钛的蓝宝石(Ti:Al2O3)，能够覆盖从670nm到1100nm的宽波长范围，其主要优势在于技术成熟、性能稳定，并且具有较高的脉冲重复率，通常在MHz量级，脉宽可达30飞秒，适用于多种高精度实验。然而，钛宝石振荡器的波长调谐范围相对有限，难以覆盖更宽的光谱范围，尤其是中红外波段。此外，在需要高平均功率的应用中，钛宝石振荡器的输出功率不足，通常在mW量级，限制了其在工业和非线性光学中的应用。
图2 Spectra-physics的Tsunami™ 钛蓝宝石超快振荡器（1）
振荡器产生激光后，啁啾脉冲放大技术（CPA）是进一步产生高强度超短脉冲激光的关键技术。CPA技术通过先在时域上展宽需要放大的脉冲以降低峰值功率，然后多次通过增益介质后放大，最后时域压缩脉冲以获得更高峰值功率的脉冲。这一技术突破了激光放大器在材料损伤阈值和非线性效应等物理因素限制下的峰值功率上限，使得可以产生具有极高峰值功率的超短脉冲激光。
实现技术2：超连续谱光源
超连续谱光源（又称白光激光器）是一种基于非线性光学效应产生的宽带光源。其工作原理是将高功率、超短脉冲激光（如飞秒或皮秒激光）导入高度非线性光纤或其他光学介质中时，由于自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM），受激拉曼散射（SRS）,和四波混频（FWM）等非线性效应与光纤群速度色散（GVD）的共同作用，出射光谱中产生许多新的频率成分，光谱宽度远远大于入射光脉冲的谱宽，频谱范围从可见光一直连续扩展到紫外和红外区域，具有广泛的光谱覆盖能力和较高的时间相干性，因此在光谱学、成像及精密测量领域具有重要应用。
图3超连续谱光源的优势[5]
超连续谱光源的优势在于其宽光谱覆盖能力，通常可以覆盖从紫外到红外的广泛波长范围，因此对于需要宽带光源的应用（如宽带光谱成像和生物医学成像）具有显著的优势。此外，由于超连续谱光源是由超短脉冲激光激发，其输出光具有较高的时间相干性，非常适合用于干涉测量和精密光谱仪器中。紧凑的全光纤化设计使得超连续谱光源设备体积小巧，易于集成，操作简便，稳定性高，非常适合多种实验环境。
尽管超连续谱光源具有极宽的光谱范围，其输出光功率密度较低。由于光谱能量分布在整个波长范围内，在单位波长范围内的光功率密度较低，导致在需要高光强的应用（如非线性光学实验）中，超连续谱光源表现不如光参量放大器（OPA）。此外，超连续谱光源的光谱强度在不同波长区域的分布并不均匀，这可能导致某些波长区域信号较弱，难以满足对光谱均匀性要求较高的应用。
实现技术3：光学参量转换
光学参量转换是基于二阶非线性效应的三波耦合过程，相互耦合的三个光波的角频率分别为ω1、ω2和ω3，通常将频率最高的ω3称为泵浦光，把ω2称为信号光，频率最低的ω1称为闲频光。根据能量守恒，相互耦合的三个光波的角频率满足以下关系：ω 1+ω2=ω3
光学参量转换是通过非线性效应使泵浦光的能量有效地流向信号光和闲频光。主要的光学参量转换技术包括差频产生（DFG）、光参量振荡（OPO）和光参量放大（OPA）。如图4(a)所示，在差频产生（DFG）过程中，泵浦光和信号光的能量共同通过非线性晶体转化为闲频光，形成新的频率成分。而在光参量放大（OPA）过程中，泵浦光的能量被分配到信号光和闲频光，信号光的能量得到放大。通过转动非线性晶体的角度，调节相位匹配条件，OPA就可以在广泛的波长范围内灵活调节输出光谱。
图4 ( a ) 光参量放大中从泵浦光束到信号光束的功率流；( b ) 相同的光参量放大过程可以看作是信号光子从泵浦激发的虚拟能级受激发射。[4]
当将非线性晶体置于谐振腔内，只有泵浦光进入时，由于参量荧光的存在，结合谐振腔的正反馈作用，当参量增益大于谐振腔的损耗时，发生自激振荡，自发地产生信号光和闲频光，这种方法就是OPO，如图5(b)所示。通过改变非线性介质的温度或使用可调谐谐振腔，OPO能够产生可调谐的输出波长，覆盖宽广的光谱范围。谐振腔的存在降低了OPO对入射光能量的要求，且具有高的信噪比、好的光束质量以及结构简单、光光转换效率高等优点。
图5 光学参量下转换示意图（a）DFG(b)OPO
光学参量放大技术（OPA）无需谐振腔，结构相对简单，主要用于放大已有的信号光，而不是生成新的频率。这种技术能够输出百瓦量级的高功率激光，并在宽光谱范围内实现高相干性和精确的波长调谐。通过先产生合适的信号光，再直接进行放大，OPA满足了高功率和高精度应用的需求。相比其他技术，OPA在灵活性和高功率输出方面展现出明显优势，特别是在精密加工和超快光谱研究等需要精确调谐的场景中。
OPA技术与其他可调谐光谱技术的比较
在宽带可调谐光谱技术中，钛宝石振荡器、超连续光谱和光学参量振荡器（OPO）各具优势，但在与一些更高要求的前沿领域，特别是在高功率和灵活调谐应用中，OPA展现了更为显著的优势。
图6是AURORA-HE型号技术的对比
1. 钛宝石振荡器与OPA的比较
钛宝石振荡器以其宽带增益介质（钛掺杂蓝宝石）为特点，能够覆盖从670 nm到1100 nm的波长范围，适用于科学研究和生物医学成像等领域。然而，其宽带调协的工作原理是从宽带中分离出所需的波长，这在灵活性上有所限制。此外，钛宝石振荡器的输出功率较低，在需要高功率时必须结合复杂的放大系统，整体系统结构较为复杂且成本较高。
相比之下，OPA技术通过非线性效应直接生成所需波长，不仅可以灵活调谐波长，而且能够输出更高的功率，甚至实现百瓦级别的功率输出。特别是在需要高功率且宽波长调谐的应用场景中，OPA比钛宝石振荡器具有更高的效率和灵活性。
2. 超连续光谱与OPA的比较
光参量放大器（OPA）的显著优势在于其波长的可调性。通过改变泵浦激光的波长和功率，OPA可以精确调节输出波长，且调谐范围广泛，灵活性高。而超连续谱光源尽管具有宽广的光谱覆盖范围，但其输出波长是固定的，缺乏精确的波长调节能力。
在输出功率方面，OPA能够在特定波长下提供非常高的光强，尤其适合需要高功率密度的应用场景（如非线性光学实验和激光加工）。相比之下，超连续谱光源的光谱能量分散在整个光谱范围内，因此单个波长的功率较低，不适合高功率需求的应用。
应用领域方面，超连续谱光源广泛应用于宽带光谱成像、生物成像和光谱分析等需要宽波段覆盖的场景。其宽光谱覆盖使其在环境监测和生物医学成像中表现出色。而OPA则更适用于需要高功率、精确波长调谐的应用场景，例如泵浦探测实验、非线性光学研究和精密激光加工。
OPA系统通常较为复杂，调节要求高，成本也相对较高。而超连续谱光源则设计紧凑、易于操作，成本较低，更适合对系统操作和维护要求不高的实验或工业应用。
3. OPO与OPA的比较
OPO与OPA同属光学参量技术，二者都基于非线性效应，但其工作方式有所不同。OPO通过将非线性晶体置于谐振腔中，利用参量荧光产生可调谐的波长输出。OPO的优势在于其结构简单、光光转换效率高，适合中低功率的应用，特别是在对功率需求较低且对光束质量要求较高的场合。由于OPO依赖谐振腔的正反馈机制，能够在较低泵浦功率的情况下实现高效的光光转换。OPO的这一特性使其特别适合用于精密光谱学、非线性光学实验和生物成像等需要高信噪比的场合。然而，OPO的功率受谐振腔的限制，难以实现高功率输出，尤其是在瓦级功率需求的应用中，OPO的表现会比较受限。
OPA则不依赖谐振腔，通过泵浦光放大已有的信号光，能够在保持高光束质量的同时输出更高的功率。OPA技术能够更灵活地调谐波长，覆盖更宽的光谱范围，并且适应高功率应用。因此，在需要高功率和宽波长调谐的应用场景中，OPA显著优于OPO，特别是在超快动力学、微纳加工和环境监测等领域，OPA成为了理想的选择。
实际应用需求决定了调谐技术的选择。结合我们镱镭飞秒的AURORA系列光参量放大器（OPA），我们在多个领域展示了这一技术的卓越性能和独特优势。
图7 镱镭飞秒的AURORA-HE型号光参量放大器
1. 超快动力学研究
AURORA系列OPA在超快动力学研究中的应用尤为广泛。通过飞秒级超短脉冲的输出，科学家能够对复杂化学反应、能量转移、物质相变等超快过程进行实时监测。AURORA系列OPA能够在更窄的脉冲宽度下输出，满足实验对于超高时间分辨率的需求。
图8 （a）AURORA-H系列输出脉宽：39.3fs@800nm (b)AURORA-H系列输出脉宽：72.4fs@1500nm
(泵浦激光参数：HELIOS-20W 50kHz/318fs/400μJ/1035nm)
2. 生物医学成像
在生物医学领域，AURORA系列OPA为高分辨率成像技术（如多光子显微镜）提供了可调谐的飞秒激光源（如AURORA-3P）。AURORA-3P系列可覆盖从可见光到近红外的宽波长范围，使得不同组织深度的成像成为可能。与传统激光源相比，AURORA-3P能够通过精确选择适当的波长和脉冲持续时间，有效减少生物组织对热效应和光损伤的敏感性。这种灵活性不仅能够实现高分辨率的成像，还能最大程度地保护组织的完整性，尤其在对热影响敏感的活体组织成像中，OPA技术能够提供更安全且高效的解决方案。
图10 三光子OPA(AURORA-3P)输出脉宽:(a)55fs@1300nm(b)59.6fs@1700nm
(泵浦激光参数：HELIOS-40W 1MHz/225fs/40μJ/1035nm)
此外，OPA的高光束质量和灵活波长调谐能力，使其能够根据不同的组织类型或实验需求，调节到最适合的波段，从而进一步减少对样本的干扰并提升成像精度。这种优势使OPA在生物医学成像，尤其是多光子显微成像等高分辨率应用中，表现得尤为出色。
图9 三光子OPA(AURORA-3P)输出光谱,波长范围：1250-1800nm
AURORA-3P压缩器后输出光斑@1300nm(压缩器出口500mm）
3. 精密微纳加工
AURORA系列OPA在微纳加工领域展现出卓越的性能。飞秒激光由于其极短的脉冲持续时间和极高的时间分辨率，在材料加工中能够精确控制能量的传递。与传统的长脉冲激光相比，飞秒激光能够通过缩短脉冲持续时间，显著减少热传导时间，从而最小化热扩散效应。这意味着激光与材料相互作用时，能量在极短时间内集中释放在材料表面，避免了热量向周围区域扩散，减少了对周围材料的热损伤。
这种“冷加工”效应使飞秒激光成为微纳加工中最理想的工具，能够在保持高加工精度的同时，最大限度地降低热影响，确保材料的微观结构不受损伤。AURORA系列OPA不仅可以在宽波长范围内灵活调谐，还能输出高功率飞秒脉冲，确保加工过程中光束质量和能量的稳定性，从而适应不同材料和加工需求的微纳结构制造。
图11 AURORA-HE输出功率稳定性@44h RMS=0.36@750nm(泵浦激光：HELIOS-20W 50kHz/257fs/400μJ/1035nm)
4. 超快光谱学成分检测
在材料样品的组分检测中，AURORA系列OPA通过调谐到特定吸收波长，实现对特定材料或成分的的高灵敏度检测。OPA技术的灵活调谐能力使其能够适应不同分子的吸收特性，且保持较高的信噪比。
图12 AURORA-HE输出光谱调谐范围630-2600nm(泵浦激光：HELIOS-20W 50kHz/257fs/400μJ/1035nm)
综上所述，AURORA系列光参量放大器（OPA）凭借其在广波长范围内的高效调谐能力、高功率输出和优异的光束质量，在超快动力学、生物医学成像、精密微纳加工、环境监测等众多领域展现出不可替代的优势。与钛宝石振荡器、OPO和超连续谱相比，OPA技术不仅在功率和波长调谐范围上有显著提升，且具备更强的应用灵活性，能够满足不断扩展的科研和工业需求。正是这些技术优势，使得OPA成为我们当前及未来发展的重要方向。
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