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标题: 光子微池拓展气体激光的应用潜能 [打印本页]

作者: update 时间: 2010-9-27 21:22
标题: 光子微池拓展气体激光的应用潜能
由纤芯充满气体的光子晶体光纤构成的微池集成激光器，可以提高相互作用长度，减小模场面积，同时实现波长可调的激光输出。

作者：Fetah Benabid，Francois Couny，Ying Ying Wang

尽管在过去的几十年中，激光技术已经取得了巨大进步，市场上出现了多种不同类型的激光器，但是现有的激光器仍然无法满足一些应用领域的特殊需求。目前，商用激光器所覆盖的光谱范围非常有限，尚不能覆盖整个近紫外和可见光波段（300～700nm）。近紫外和可见光波段在生物医学领域具有非常重要的应用，如流式细胞仪检测单个细胞、DNA测序、法医检测指纹、在犯罪现场检测微量元素、检测病原体或生物毒素等。

这些应用需要特定的激光波长（例如黄光），而这些波长是现有的激光器很难实现的。生物医学领域的某些应用还要求输出激光的线宽较窄，输出功率范围较大，同时输出时域波形可控。另外，因为生物学家通常并不是激光专家，所以激光器的设计必须要简单，便于生物学家使用。生物光子学应用中存在的这些情形，对新兴的激光技术提出了严格要求。

目前应用在生物医学领域的激光器通常采用笨重的自由空间仪器获得单波长输出，有时激光输出波长不可以调谐。如果一项生物光子学应用需要多种波长的话，则需要使用多个激光器。

最近涌现出来的一项解决方案是采用超连续光纤光源。尽管超连续光纤光源能提供较宽的频谱范围，但是其功率谱密度较低，光谱分辨率较差。仅仅是为了改善光谱分辨率这一项，超连续光源就需要采用笨重复杂的单色仪和光谱过滤器。此外，超连续光源的输出波长带宽并不能覆盖紫外光谱范围，即使采用为紫外输出量身定做的光纤和强大的泵浦源，其获得的最短输出波长也大于300nm。

因此，激光终端用户通常不得不调整应用范围，以适应可用的激光波长。如果能够发明覆盖整个光谱范围的激光器，而这些激光器同时兼具结构紧凑以及现有商用激光器的其他功能，这将会为整个激光市场和应用领域带来彻底的改变。

强非线性

纤芯充满气体的空心光子晶体光纤（HC-PCF）和以集成形式出现的光子微池（PMC），很有可能改变整个激光市场。在PMC中，充气的HC-PCF密封拼接到传统的固体光纤上。PMC结合了光纤技术和气相材料的独特性能。HC-PCF和PMC将气体和光同时限制在模场面积为平方微米的尺寸上，整个作用长度是自由空间作用长度的100万倍。

在低泵浦光功率下，纤芯充满气体的HC-PCF中可以产生受激拉曼散射（SRS）、电磁感应透明（EIT）以及饱和吸收等强非线性效应。当纤芯充满拉曼有源气体（如H2）时，PMC可以通过SRS非线性效应实现频率转换，产生振动SRS的阈值能量只有800nJ。[1]

采用超低损耗的光子能带隙（PBG）HC-PCF，可以进一步降低SRS的阈值。一段长度为35m、中心波长为1064nm、传输损耗为70dB/km的填充H2的光子带隙光纤，当泵浦功率达到4 W时就可以产生转动SRS，同时还可以观察到接近量子极限的斯托克斯（Stokes）激光输出。

此外，研究人员在一个全光纤系统中只用几百毫瓦的泵浦功率，就实现了连续（CW）激光泵浦斯托克斯激光输出。[2]由于HC-PCF具有很长的相互作用长度，SRS的放大频域明显发生改变。当泵浦功率较低、脉冲较长（是拉曼退相时间的几倍）时，瞬态SRS就可以获得放大。采用输出脉冲宽度为12ns的调Q单频低重复频率Nd：YAG激光器（见图1），就可以产生multi-octave coherent 多倍频相干SRS光梳。

图1：两类HC-PCF中的受激拉曼散射的不同频率转换范围。光子带隙（PBG） HC-PCF（左上图）和Kagome HC-PCF（左下图）具有不同的几何形状。（右上图）连续光纤激光器泵浦填充H2的PBG HC–PCF，当泵浦功率在阈值以下时，没有斯托克斯激光输出，当泵浦功率在阈值以上时，泵浦光转换为斯托克斯激光输出。（右下图）填充H2的PBG HC-PCF激光器的输出光谱由多条相干SRS谱线组成。

紧凑易用

气相材料目前已经成为新一代激光器的有力竞争者。在PMC中填充适当的拉曼活性气体的激光器具有以下优点：（1）泵浦激光源可以充分利用现有的Nd：YAG激光器和掺铒光纤激光器，从而获得与现有激光器相同的性能。（2）输出波长可以覆盖整个光谱范围。（3）整个激光系统结构紧凑，易于使用。（4）采用光纤形式，可以与现有的光网络组件集成，与光通信组件和光纤激光器融合。

一个紧凑、轻便、电池供电的纤芯充满拉曼气体的HC-PCF 激光器，可以产生覆盖整个紫外和可见波段的光谱线。[5]整个激光器由数米长的PMC组成，PMC中充满压力为10Pa的H2，泵浦激光器为紧凑的二极管泵浦的固体微芯片激光器，其重复频率为7kHz，波长为532nm，平均输出功率为20mW，峰值功率为4kW。该系统的设计专门针对生命科学与法医科学领域的特殊应用要求，例如利用特定的激光波长（往往是相有激光器不能实现的）进行地面诊断、数据收集和激光发射等，并且对可携性具有较高的要求（见图2）。

图2：紧凑的多线输出拉曼光纤气体激光器，其输出光谱覆盖可见光到紫外波段。（a）实验装置图，包含一个微芯片激光器和填充H2的PMC。（b）基于PMC的拉曼激光器。（c）PMC拉曼光纤气体激光器的输出光谱。每条光谱线上面的标识表示功率比、共振拉曼光谱的阶数。（d）CCD相机记录的输出光谱。

以PMC为基础的拉曼频率转换器不但结构紧凑，而且频率转换效率非常高，其从泵浦光转换到其他光的转换效率高达60％。整个输出频谱包括23条谱线，光谱范围超过450THz，覆盖紫外到可见光波段。其中9条谱线是泵浦ortho-H2 S00(1)产生的拉曼初始边带，1条谱线是振动斯托克斯分量，两条谱线是振动反斯托克斯分量，源于H2的Q01(1)跃迁，每一个谱线同时产生一系列旋转边带，从而使频谱范围从712nm的近红外波段扩展到353nm的紫外波段。

在要求高功率密度、窄频谱分量和紫外波长输出的应用场合，以PMC为基础的激光器可以取代传统的超连续光源。研究表明，该激光器的远场和近场输出的拉曼分量在空间都是单模的。在该激光器的输出光谱线中，线宽最大为100MHz，其中可见光分量的平均光谱密度为2.4W/GHz，紫外分量的平均光谱密度为0.7W/GHz，这远远高于超连续光源的光谱密度。

为了评估PMC技术的商业应用价值，英国工程和物理科学研究理事会（EPRSC）已经为生产该系统准备好了可投产使用的物理封装。

Alexa Fluor的17个代表性染料的吸收光谱目前被广泛应用于DNA测序荧光染料检测应用中，以PMC为基础的激光器可以获得生物医学领域需要的这些波长（见图3）。[5]这些吸收谱线几乎与由以PMC为基础的激光器产生的激光谱线重叠。利用可调谐泵浦激光器，采用不同的拉曼气体，或者精确地改变空心光纤的光学传输特性，都可以提高该激光器的输出频率范围。将现有泵浦激光器的可移植性和PMC的紧凑性相结合，能使该激光系统实现小巧紧凑的封装体积，从而进一步减少维修或校准操作。

图3：单个激光源与染料生物标志物Alexa Fluor系列的吸收波长匹配。

参考文献

1. F. Benabid et al., Science 298, pp. 399–402 (2002).
2. F. Couny et al., Phys. Rev. Lett. 99, pp. 143903–143904 (2007).
3. F. Couny et al., Science 318 (2007).
4. Y.Y. Wang et al., "Compact and Portable Multiline UV & Visible Raman Laser in Hydrogen-filled HC-PCF," in ECOC (Vienna, Austria, 2009), postdeadline paper.

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