宽带超连续谱光源飞秒激光器

Birkerod,丹麦，2011年1月17日—超连续谱光纤激光技术的先行者和商业制造商NKTPhotonics公司宣布将在Photonics West 2011展会上推出下一代SuperK EXTREM超连续谱系列产品以及全面提升的配套选件，以SuperK EXTREM eco-system (系统解决方案)的方式推出。 　　SuperKExtrem“系统产品解决方案”现在提供了更加丰富的超连续谱光源产品线，涵盖不同的光谱范围和输出功率水平，配合广泛并且智能的附件产品组合，用户能够快速(on-the-fly)调整输出光重复频率，更加灵活地进行波长调谐，以及选择优化的光谱整形选项。应用领域包括荧光光谱学(fluorescence microscopy),流式细胞仪(flow cytometry),荧光寿命成像显微(fluorescence lifetime imaging microscopy: FLIM), 荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer: FRET),光学相干断层扫描(optical coherence tomography: OCT),非接触检测(non-contact inspection)等，以及任何其他需要使用宽光谱并且高亮度光的领域，SuperK Extrem能够提供“像灯光一样宽的光谱，像激光一样高的亮度”的输出。 　　完全重新设计的软件套件，SuperKontrol，能够让用户通过简单的图形界面对新一代SuperKEXTREM系统进行全面的计算机控制。此外，NKTPhotonics额外提供的软件开发组件进一步扩展了SuperKEXTREM系统的灵活性，用户可以通过二次开发满足更为苛刻的控制需求，例如需要严格的关键时钟序列或者触发条件等。 　　一如既往，SuperKExtrem系统的核心基于NKTPhotonics公司世界驰名的光子晶体光纤技术，该技术被用于产生和传输高性能、高可靠性的超连续谱光源解决方案的历史已经超过了十年。 　　“下一代SuperKEXTREM超连续谱光源是我们新的智能型SuperK系统产品解决方案(eco-system)的一部分，我们关注的是产品的灵活性和可靠性，以及操作的简便性。我们的目标是开发革命性的超连续谱白光激光器系统应对我们工业型客户以及学术研究客户现在和将来所面临的挑战，新一代产品的推出意味着我们实现了这样的目标。”NKTPhotonics的营销副总裁说到。 　　新一代的SuperKEXTREM和配件带有设计独特“面板智能化”性能，提供真正的“即插即用(plug&play)的操作，用户只需要把各种模块简单连接起来，而不需要特殊的设置和配置，SuperKEXTREM系统将自动处理系统的安装和控制。此外，这种“智能化”还能够允许用户在现场(on-site)升级SuperKEXTREM系统，例如另一个功率水平，不同光谱范围的输出，而不需要返回NKT Photonics的工厂。因此，用户可以逐渐建立和扩展自己的SuperK系统用来满足不断出现的新的应用需求。 　　“SuperKEXTREM系统总输出功率超过8W，超过2W的可见光功率输出已经实现，这些表现证明了SuperKEXTREM系列的高可靠性和高性能表现。我们重视系统的长期可靠性，系统的记录寿命测试已经超过了15000小时，这些结果能证明SuperKEXTREM系统是一款真正的免维护的超连续谱激光光源，满足OEM和工业应用的要求。我们对自己能够为客户提供新型的，性能提升的新一代超连续谱激光光源产品感到很兴奋，它集合了众多的有点，例如最高的输出功率水平，工业级的可靠性，最容易使用，这得益于我们自己拥有的领先的光子晶体光纤技术。”Chuong Tran进一步补充说到。

国防科大光电科学与工程学院研究员侯静　　新学期伊始，国防科大光电科学与工程学院研究员侯静，又一头扎入到她钟情的激光世界里，课题攻关、学术研讨、申报国家自然科学基金......多年心无旁骛地不懈探索与创新，她率领课题组在“超连续谱光源”领域取得一系列重大突破，使中国在该领域一跃进入国际领先行列，相关成果连续两年入选“中国光学重要成果”。　　高挑的个头，齐耳的短发，和蔼的脸庞上洋溢着自信的微笑。刚进入不惑之年的侯静，先后主持承担国家自然科学重点基金项目、国家国际科技合作专项和863计划等10多个项目研究。作为中国“超连续谱光源”研究领域的知名专家，侯静感到自己的一切已经与“光”紧紧地联系在了一起，科学研究与人才培养似乎成了她生活的全部。　　27岁获得博士学位、31岁出国深造、35岁晋升为研究员、36岁遴选为博士生导师，入选教育部“新世纪优秀人才计划”。凭着在“超连续谱光源”领域的开创性研究成果，侯静已成为该领域的佼佼者。　　“我很幸运，赶上了好时代，让我有了发挥自身潜力、实现梦想的好平台。”侯静说。　　1993年，从小梦想成为一名女兵的侯静，如愿以偿地考入国防科大应用物理专业学习。本科毕业时被保送为硕博连读研究生，并成为学校第一批联合培养生进入中国科学院深造，师从中国著名光学专家姜文汉院士，从事自适应光学研究。　　2002年，侯静博士毕业留校任教。在一次学术交流中，著名激光技术专家赵伊君院士提到“超连续谱光源”能覆盖光电传感设备的整个工作波段，无法进行防护，堪称未来光电对抗的“完美光源”。说者无心，听者有意。第一次听到“超连续谱光源”的侯静下定决心：开展“超连续谱光源”研究。　　为了点亮“强军之光”，侯静从此在这一全新的研究领域开始了艰难的探索。壁影孤灯，清苦相伴，凭着坚定的信念，她从零起步，执着前行。2007年，侯静申请到赴英国巴斯大学深造的机会。在这里，侯静像一只不知疲倦的蜜蜂，拼命地采集知识的花蜜，她的勤奋和创新性研究，给实验室的专家和同事留下了深刻印象，建立了良好的合作关系。　　回国后，侯静将国防科大与巴斯大学在光学领域的优势结合起来，提出合作开展“光谱可控的高功率超连续谱光源”研究。她的这一建议，很快获得中英两国相关部门批准，成为学校第一个政府间科技合作专项。从此，侯静全身心投入到研究工作中。　　短短几年时间，侯静率领研究小组以高平均功率和全光纤化为攻关目标，先后突破了多项核心关键技术瓶颈，在国际上率先提出和研制出两种新型金属光子晶体光纤，掌握了拥有自主知识产权的高功率超连续谱光源的研制技术，主要技术指标打破美国保持4年之久的纪录，一跃进入国际先进行列。　　在“超连续谱光源”基础研究取得突破的同时，侯静着力推动创新成果向生产力、战斗力转化，取得了显著的社会效益和军事效益。谈到当前深化国防和军队改革，侯静说，改革将使我们的军队更有战斗力，军队科技工作者要努力提高创新对战斗力增长的贡献率，让科研成果转化为能打胜仗的“利器”，在这场“大考”中交出优秀答卷。　　作为研究生导师，侯静在“传道、授业、解惑”的同时，乐于跟学员交朋友，更能于细微之处发现学员的思想变化。一次，侯静了解到一名学生父亲患重病急需手术，却因家庭困难凑不齐手术费。她二话没说，从工资中拿出5000元让他赶快寄回去，解了燃眉之急。这名学员将教师的关爱转化为学习动力，毕业时顺利考上了研究生。　　在学员眼中，侯静既是导师，更像一位可亲可敬的“大姐姐”，他们有什么事都愿意跟自己的导师说，就连谈朋友、找对象也少不了请导师指导把关。用爱和责任熔铸师魂，甘为“红烛”育英才。在侯静指导和协助指导的研究生中，目前已有2人获全军优秀博士学位论文，1人获省优秀博士学位论文，2人获省优秀硕士论文，1人获全军优秀硕士论文提名，连续5年获得学校优秀硕士学位论文，10余人被推荐进入国外一流大学攻读博士学位或联合培养。　　秀肩总是挑重担。2012年，侯静担任激光技术研究室主任，肩上的担子更重了，但无论工作多么繁忙，课题研究怎样艰难，她总保持着乐观开朗的阳光心态，并感染着身边的每一个人，同事和学员都说：“和侯教师在一起，很开心。”　　科技词典中说：“超连续谱光源”具有光谱范围宽、亮度高、空间相干性好等特点，而侯静也像这一束绚丽多彩的光源，不断散发出光和热，默默点亮强军之路，照亮学子向强军目标一路前行。

近日，华南理工大学教授李志远团队成功造出一台全谱段白光激光器，其具备光斑明亮、光谱光滑且平坦、大脉冲能量的特点，能覆盖 300-5000nm 的紫外-可见-红外全光谱，单脉冲能量达到 0.54mJ。这样一台全谱段白光激光器的面世，可用于构建全谱段的超快光谱学探测技术，有望将激光技术推至世界领先水平，从而更好地服务于前沿研究。图 | 李志远（来源：李志远）基于本次成果，课题组将进一步构建全谱段的超快光谱学探测设备，届时有望对物质内部多个波段中的物理、化学和生命过程开展超快的精密探测，从而实现高速摄谱的技术能力，进而用于开展二维材料、锂离子电池、化学催化等领域的研究。本次研究中所涉及的光谱学技术，可以覆盖深紫外-可见波段的原子以及分子的电子跃迁吸收谱，也能覆盖近红外波段的半导体带间电子跃迁吸收谱、以及中红外波段的分子振动等。借此可以打造一种崭新的光谱学检测手段，对于那些使用传统手段所无法揭示的新现象和新规律，本次新手段很有希望填补相关空白。（来源：Light: Science & Applications）鉴于光学波段的光子和物质的电磁相互作用强度以及灵敏度，远远超过 X 射线光子与物质原子核、以及内壳层电子的电磁相互作用。而且，即便是 1mJ 量级的全谱段白光飞秒脉冲激光的光子亮度，也远远超过目前同步辐射 X 射线光源的亮度。“因此，全谱段白光激光器在物质科学和生命科学中所发挥的作用，也有望超过传统的同步辐射 X 射线光源。”李志远表示。日前，相关论文以《强紫外-可见-红外全谱段激光器》 （Intense ultraviolet–visible–infrared full-spectrum laser）为题发在 Light: Science & Applications，华南理工大学博士生洪丽红是第一作者，华南理工大学李志远教授、中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）李儒新院士担任共同通讯 [7]。图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）助力解决 Science 125 个待解难题之一据介绍，作为一种崭新的激光光源，超宽带白光激光具有极宽带宽、高光谱平坦度、大脉冲能量、高峰值功率、高时空相干性等五大优点，能极大拓展激光技术的发展和应用范围。而如何构建一台覆盖紫外-可见-红外波段的全谱段白光激光器，同时拥有高峰值功率和高脉冲能量，是一个极具挑战的宏大目标。2020 年，Science 杂志将其列为 125 个前沿重大科学问题之一。主要原因在于，基于目前纯粹单一的激光器技术、二阶非线性变频技术、以及三阶非线性频率展宽技术，远不足以解决这一问题。过去十年，李志远团队基于自主开发的啁啾结构非线性铌酸锂晶体，结合大脉冲能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光泵浦，利用二阶和三阶非线性协同作用的原创性物理机制，提升了白光飞秒激光的转换效率、频谱带宽、脉冲能量、光谱平坦度等指标。要想产生全谱段白光飞秒激光，需要达到两个先决条件：带宽超过一个光学倍频程的强泵浦飞秒激光光源，以及具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。不过，要想同时满足上述两个条件并非易事。为此，课题组使用光学参量啁啾脉冲放大技术，以及使用由充气空心光纤、纯铌酸锂晶体材料和啁啾极化铌酸锂晶体组成的极宽带非线性变频模块，将飞秒激光技术、二阶非线性变频技术、三阶非线性频率展宽技术加以综合，研制了这款全谱段白光激光器。其中，二阶和三阶非线性效应协同作用的原创性物理机制，是打造本次全谱段白光激光器的秘密。上述机制的好处在于，能够清除二阶非线性或三阶非线性方案中所存在的输出光谱性能不佳的限制。李志远表示：“全谱段白光激光有望成为激光技术发展历史上的一个里程碑，并能很好地回答 Science 杂志 2020 年的 125 个最前沿的科学问题，即人类能否造出与太阳光相似的非相干强激光。”（来源：Light: Science & Applications）让中国学界真正拥有属于自己的实验设备多年来，学界一直渴望产生像太阳光一样的白光激光。紫外-可见-红外全谱段白光激光的产生，则一直是激光技术等待攻克的堡垒，也是李志远团队努力追求的目标。十年来，该课题组历经 8 次阶段性成果的积累，才造出了上述全谱段白光激光器。2014 年，该团队将啁啾调制的概念引入一维铌酸锂晶体的周期设计中。在可调谐近红外光源的帮助之下，设计出多个不同啁啾度的准相位匹配晶体，让二次、三次谐波产生的非线性过程的相位失配，能够在单个晶体中得到补偿，借此实现宽带可调谐三基色光源的同时输出，也拉开了课题组“白光激光”之梦的序幕。2015 年，李志远让学生陈宝琴开展啁啾结构铌酸锂晶体中六次谐波产生的研究。在实验的关键阶段，李志远去现场看学生做实验，结果发现了又圆又白的激光束产生，这完全出乎意料之外。李志远觉察到这是一个“好东西”。仔细分析之后，确定啁啾结构铌酸锂晶体产生了二到八次谐波。在一个固体材料中产生高次谐波，这是一个前所未有的科学发现，也让课题组开始树立“白光激光”的梦想。随后，他们设计了啁啾结构非线性光子晶体，以中红外飞秒脉冲激光为泵浦源，在单块晶体中同时产生了超宽带二到八次谐波。其中，四到八次谐波形成 400-900nm 超宽带可见白光激光，其转换效率达到 18%。2014 年和 2015 年的这两项工作表明：该团队自主研发的铌酸锂晶体二阶非线性方案，可以支持宽带二次谐波产生。同时，也能支持宽带二次谐波和三次谐波产生，甚至支持基于级联三波混频的高次谐波产生，最终可以实现超宽带可见白光激光的产生。而要想产生全谱段白光飞秒激光，就需要继续深挖上述方案的潜能，以便满足产生全谱段激光所需要的苛刻条件：即泵浦激光脉冲带宽要足够宽，非线性晶体材料的准相位匹配带宽要足够大。2018 年，课题组选用更高能量的近红外飞秒脉冲激光作为泵浦源，针对相关泵浦条件设计出一款啁啾结构铌酸锂晶体，这块晶体在不同偏振状态之下，均能同时产生二次谐波和三次谐波。通过此他们首次发现了二阶和三阶非线性协同作用的新物理机制，并证明这一机制能够显著提升相关性能的指标。利用级联二次谐波和三次谐波方案，他们生成了 400-900nm 可见-近红外波段的可调谐白光激光，转换效率达到 30％。这一发现，也促使他们去发现产生白光激光的更优路线，即基于二阶和三阶非线性协同作用产生超连续白光激光的方案。在新路线的指导之下，他们设计出一块能同时产生二到十次谐波的宽带白光非线性晶体材料。针对这款白光非线性晶体材料，他们又采取 45μJ 脉冲能量的 3.6μm 中红外飞秒脉冲激光泵浦的设计方案，借此产生 25dB 带宽、覆盖 350-2500nm 的紫外-可见-红外超连续白光飞秒激光，单脉冲能量为 17μJ，转换效率为 37%。在此基础之上，他们继续优化二阶非线性和三阶非线性协同效应。期间，该团队发现石英玻璃的三阶非线性效应远远优于铌酸锂晶体，而特殊设计的铌酸锂啁啾非线性光子晶体可以同时使用高达十二阶次的准相位匹配。后来，他们利用 0.5mJ 的钛宝石飞秒脉冲激光器泵浦，来对熔融石英-啁啾极化铌酸锂晶体进行泵浦，最终实现 10dB 带宽覆盖 375-1200nm、20dB 带宽覆盖 350-1500nm 的超连续激光，单脉冲能量为 0.17mJ，转换效率为 34%。前面提到，课题组期望实现的白光飞秒激光具有五个高指标。因此，在追求极宽带宽范围的同时，他们还得实现更大的脉冲能量、更高的光谱平坦度。于是，该团队以高能量钛宝石主激光作为泵浦源，针对由熔融石英和啁啾极化铌酸锂晶体组成的级联光模块，对其整体非线性响应进行进一步的操纵，从而显著提高了白光飞秒激光的综合性能。期间，他们利用 3mJ 脉冲能量的钛宝石飞秒激光泵浦，对石英-超宽带白光非线性晶体级联模块进行熔融，基于二阶和三阶非线性协同作用的高效超宽带二次谐波产生方案，实现了 mJ 量级、3dB 带宽覆盖 385-1080nm 的超宽带白光飞秒激光。此外，自 2018 年起课题组联合一家外部公司研制了 3mJ/50 fs/1 kHz 钛宝石飞秒激光器，实现了相关仪器的国产替代。并以此作为泵浦源，和白光非线性变频模块加以结合，从而形成了成熟高效的白光飞秒激光生成方案，借此造出一款白光飞秒激光整机设备。以上成果也促使他们进一步思考：如何产生覆盖一到十次谐波的全谱段白光激光？为此，他们与上海光机所李儒新院士团队合作，提出一款非线性级联装置。这种装置可以满足以下两个条件：一个较强的带宽达到光学倍频的中红外泵浦激光光源；以及一个具有极大非线性频率上转换带宽的非线性晶体。随后，他们基于光学参量啁啾脉冲放大技术，研制出一种中红外飞秒脉冲激光器，它具有 3.5mJ、3.9μm 中心波长，可以起到泵浦激光光源的作用。接着，基于宽带二阶和三阶非线性变频模块，他们获得了光谱范围 25dB 带宽、覆盖 300-5000nm 的全谱段超连续白光飞秒激光。“至此，我们欣喜地发现借助强中红外飞秒激光作为泵浦源已经成功走通了全谱段白光激光产生的道路。”李志远表示。（来源：Light: Science & Applications）总的来说，课题组已经实现了“三高”型白光飞秒激光：大单脉冲能量（第一高）、300-5000nm 的频谱宽度（第二高）、高光谱的平坦度（第三高），基本涵盖了铌酸锂晶体的全部透光范围。接下来，他们将继续与李儒新院士团队合作，朝向更高目标前进，力争实现深紫外-紫外-可见-近红外-中红外-远红外的“三高”全谱段白光飞秒激光。假如可以实现，就能建造比拟同步辐射光源、以及自由电子激光光学波段的全谱段超连续激光光源。“届时，相信我们中国科学界将拥有属于真正自己的研究物质科学和生命科学的实验设备。”李志远最后表示。