技術進步為生物醫學應用等領域可靠、緊湊的超快雷射奠定了基礎。研究人員最近開發了第一款能夠在電磁波譜可見光範圍內產生飛秒脈衝的光纖雷射。這項進步為各種生物醫學和材料加工應用帶來了潛力。這些雷射的獨特之處在於它們能夠產生超短、明亮的可見波長脈衝，這是雷射技術的重大進步。

研究人員開發了第一台可以在電磁波譜可見光範圍內產生飛秒脈衝的光纖雷射。圖片來源：Jérôme Lapointe

克服光纖雷射開發的挑戰

從歷史上看，實現可見飛秒脈衝需要複雜且本質上低效的設定。儘管光纖雷射由於其堅固性/可靠性、佔地面積小、效率高、成本低和亮度高而成為一種非常有前途的替代方案，但到目前為止，還不可能產生持續時間為飛秒（ 10-15 s) 直接使用此類雷射進行測距。

加拿大拉瓦爾大學研究團隊負責人Réal Vallée 表示：“我們在可見光譜中演示的飛秒光纖雷射為新型可靠、高效和緊湊的超快雷射器鋪平了道路。”

新型光纖雷射的技術細節

研究人員在Optica 出版集團的《光學快報》雜誌上描述了他們的新型雷射器，該雷射器基於稀土摻雜氟化物光纖。此雷射發射波長為635 nm 的紅光，可達到持續時間為168 fs、峰值功率為0.73 kW、重複率為137 MHz 的壓縮脈衝。使用商用藍色雷射二極體作為光源或泵浦源，有助於使整體設計堅固、緊湊且經濟高效。

研究小組成員包括Réal Vallée、Marie-Pier Lord、Michel Olivier 以及未在合照中的Martin Bernier。圖片來源：Jérôme Lapointe

參與此計畫的博士生Marie-Pier Lord 表示：「如果在不久的將來能夠實現更高的能量和功率，許多應用都可以從這種類型的雷射中受益。潛在的應用包括高精度、高品質的生物組織消融和雙光子激發顯微鏡。飛秒雷射脈衝還允許在材料加工過程中進行冷燒蝕，這一過程可以 [比長脈衝] 進行更乾淨的切割，因為它不會產生熱效應。”

擴展光纖雷射的光譜範圍

在光纖雷射中，摻雜稀土元素的光纖充當雷射介質。儘管光纖雷射是最簡單、堅固且可靠的高亮度雷射系統之一，但石英光纖的使用往往將其限制在近紅外光譜區域。Vallée 的團隊一直致力於透過使用由氟化物而不是二氧化矽製成的光纖來擴展這些雷射光源的光譜範圍。

「我們之前專注於開發中紅外線光纖雷射器，但最近對可見光纖雷射產生了興趣，」洛德說。“雖然此類雷射器缺乏緊湊高效的泵浦源，長期以來阻礙了其發展，但最近出現的藍色光譜半導體雷射源為高效可見光纖雷射的開發提供了關鍵技術。”

在展示了連續發射可見波長的光纖雷射後，研究人員希望將這一進展擴展到超快脈衝源。由於氟化物光纖製造製程的改進，現在可以獲得鑭系元素摻雜光纖，其特性對於開發高效可見光纖雷射至關重要。

創新與未來方向

Vallée 團隊開發的新型脈衝光纖雷射將稀土摻雜氟化物光纖與商用藍色二極體泵浦雷射結合。為了產生和維持脈衝輸出，研究人員還必須弄清楚如何仔細管理光纖中的光偏振。

「開發新波長的雷射器，其中光學元件的材料特性與以前使用的不同，有時可能會很棘手，」合著者米歇爾·奧利維爾（Michel Olivier）說。「然而，我們的實驗表明，我們的雷射器的性能與我們的模擬非常吻合。這證實了該系統表現良好且易於理解，並且該系統的重要參數已正確表徵並且非常適合脈衝雷射器，尤其是我們使用的光纖的特性。”

接下來，研究人員希望透過使裝置完全一體化來改進技術，這意味著各個光纖尾纖光學元件將直接相互黏合。這將減少裝置的光學損耗，提高效率，並使雷射更加可靠、緊湊和堅固。他們也正在研究提高雷射脈衝能量、脈衝持續時間和平均功率的不同途徑。