波长在1700 nm至1860 nm之间对应于生物组织的第三个光学透过窗口，当使用该波段的光源驱动高阶非线性光学显微镜，如三光子显微镜（3PM）和三倍频（THG）显微镜时，能提高信噪比和增加穿透深度。在光纤激光器中，通过非线性波长转换的方式，比如孤子自频移（SSFS）或者自相位调制光谱选择（SESS）技术，对1.5 µm的掺铒光纤激光器进行波长转换，可以产生该波段内的飞秒脉冲。然而，SSFS的能量转换效率相对较低，而且SESS和SFSS过程需要将脉冲耦合进光纤，系统稳定性差。掺铥光纤（TDF）具有很宽的发射光谱，覆盖从1600 nm到2100 nm之间的波长范围，在非线性光学成像领域很有潜力。
本篇文章研制了基于TDF的全光纤飞秒激光系统，验证了其驱动无标记THG显微镜的能力[1]。
图1为掺铥光纤振荡器的结构。作者基于耗散孤子锁模技术，使用0.7 m长的TDF作为增益介质，1560 nm的LD进行泵浦，采用4.7 m长的色散补偿光纤（DCF）提供全正色散，获得了中心波长为1840 nm、光谱宽度为22nm、重频为16.6 MHz的锁模脉冲输出。
图1 掺铥光纤振荡器的示意图 [1]
实验结果如图2所示，输出脉冲自相关曲线半高全宽为9 ps，对应于脉宽7 ps的高斯脉冲。在200 mW 的LD最大泵浦功率下，输出平均功率为17 mW。
图2 掺铥光纤振荡器的自相关曲线，光谱和频谱图 [1]
在后续放大中，作者将掺铥光纤振荡器的输出脉冲功率衰减到5 mW，并通过23 m长的DCF将脉冲展宽到18 ps。一级放大中，作者采用自制的1565 nm掺铒光纤激光器泵浦1 m长的TDF。在300 mW的最大泵浦功率下，一级放大输出平均功率为50 mW。
如图3所示，二级放大使用了自制的单模TDF，其纤芯尺寸为10 µm，在泵浦波长下的吸收更强，约为37 dB/m。作者测量使用不同长度（0.5 m、0.7 m和1 m）TDF进行放大得到的输出光谱和功率，最终选择使用0.7 m长的光纤。此时，输出功率在44%的斜效率下随着泵浦功率的增加而增加，并且在6 W的泵浦功率下达到2.5 W的最大值，对应于的最大脉冲能量为150 nJ。在该功率水平下，输出光谱没有明显的非线性失真。准直的输出光束穿过自由空间隔离器被输送到光栅中进行压缩，压缩后脉冲的自相关曲线如图3（b）所示，通过洛伦兹拟合最终得到416 fs的脉冲宽度，这可能是由于（未补偿的）高阶色散和非线性效应导致脉宽难以进一步压缩。
图3 (a)光纤放大器和脉冲压缩器的示意图;(b)压缩脉冲的自相关曲线 [1]
最后，作者使用该光源驱动非线性光学显微镜对BaTiO3纳米晶体和聚苯乙烯珠，以及小鼠组织和人骨样品进行了成像，验证了该光源的THG成像能力。
参考文献
[1] Duanyang Xu, Konstantinos N. Bourdakos, Anna Crisford, Peter Johnson, Ibrahim Abughazaleh, Panuwat Srisamran, Richard O. C. Oreffo, Sumeet Mahajan, David J. Richardson, and Lin Xu, "All-fiberized 1840-nm femtosecond thulium fiber laser for label-free nonlinear microscopy," Biomed. Opt. Express 14, 4520-4530 (2023)
原文标题 : 超快光纤激光技术之四十七 驱动无标记非线性显微成像的全光纤掺铥飞秒光纤激光器
