常規(guī)波長(zhǎng)可調(diào)諧飛秒光纖激光器通常基于孤子自頻移效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，然而，傳統(tǒng)的孤子自頻移效應(yīng)在輸出主拉曼孤子脈沖的同時(shí)必然伴隨著大量剩余泵浦脈沖和二階孤子，限制了泵浦脈沖到主拉曼孤子的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而阻礙了主拉曼孤子的輸出功率、脈沖能量、光譜頻移范圍以及光譜純度的進(jìn)一步提升。因此，在3.6 μm以上的中紅外波段，尚未實(shí)現(xiàn)瓦級(jí)高功率飛秒脈沖。針對(duì)此問題，深圳大學(xué)阮雙琛教授、郭春雨教授團(tuán)隊(duì)提出了一種改進(jìn)的孤子自頻移系統(tǒng)，通過光纖級(jí)聯(lián)帶內(nèi)泵浦方式，將剩余泵浦光完全轉(zhuǎn)換到主拉曼孤子中，從而實(shí)現(xiàn)了高功率、寬調(diào)諧范圍的拉曼純孤子輸出。實(shí)驗(yàn)中，以前期研究【Optics Letters 47, 2562 (2022)】的當(dāng)前國(guó)際最高平均功率4.13 W的 2.8 μm中紅外飛秒（59 fs）光纖激光器作為泵浦源，基于這一改進(jìn)的孤子自頻移系統(tǒng)，研究人員實(shí)現(xiàn)了3-3.8 μm波長(zhǎng)大范圍可調(diào)諧的高功率中紅外純孤子超短脈沖，突破了3.6 μm波長(zhǎng)以上中紅外瓦級(jí)飛秒超短脈沖，3.8 μm處脈寬為252 fs，功率達(dá)到了1.6 W國(guó)際最高功率水平。同時(shí)，這種改進(jìn)的孤子自頻移方法具有廣泛的普適性，可以運(yùn)用到其它波段。該工作發(fā)表在Photonics Research上。

為了測(cè)試?yán)伦釉趲?nèi)泵浦方案下的放大性能，研究人員選擇了長(zhǎng)度為1.2 m的增益光纖來實(shí)現(xiàn)摻鏑氟化物光纖放大器。圖4(a)描述了摻鏑氟化物光纖放大器輸出光譜隨976 nm泵浦功率增加的演變，由基于傅里葉變換的光譜分析儀測(cè)量。當(dāng)976 nm泵浦功率從7.9 W增加到20 W時(shí)，拉曼孤子的中心波長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)從2.94 μm到3.29 μm的連續(xù)可調(diào)諧范圍?？梢钥闯?，在2.8 μm處幾乎沒有光譜成分，表明2.8 μm剩余泵浦光得到有效吸收，而泵浦功率為7.9 W時(shí)存在未被吸收干凈的2.8 μm剩余泵浦光由相應(yīng)拉曼孤子的低增益造成，可以通過使用更長(zhǎng)的摻鏑氟化物光纖實(shí)現(xiàn)吸收干凈。圖4(b)顯示了摻鏑氟化物光纖放大器輸出的平均功率及脈寬隨976 nm泵浦功率的變化，其中，脈寬由Mesa Photonics公司波長(zhǎng)覆蓋范圍為2.5-4.0 μm的二次諧波頻率分辨光學(xué)開關(guān)法（SHG-FROG）裝置測(cè)量?？梢园l(fā)現(xiàn)，輸出平均功率隨976 nm泵浦功率線性增加且沒有飽和的趨勢(shì)，當(dāng)輸出功率達(dá)到最大值2.9 W時(shí)，脈沖能量為42.2 nJ，脈寬為105 fs，對(duì)應(yīng)402 kW的峰值功率，進(jìn)一步計(jì)算可得到孤子階數(shù)為2.5，表明輸出脈沖為高階孤子。摻鏑氟化物光纖放大器中拉曼孤子的放大效率由圖4(c)展示，其定義為凈增加的拉曼孤子功率與總2.8 μm剩余泵浦光功率之比。拉曼孤子增加的脈沖能量證明其得到了有效放大且整體獲得超過50%的平均放大效率，這說明了摻鏑氟化物光纖放大器的優(yōu)秀潛力。然而，相較于理論上的斯托克斯效率能夠達(dá)到85%，在3.29 μm處的放大效率僅為63%，這或許可以歸因于拉曼孤子的再吸收以及孤子自頻移過程中的其他損耗?？梢灶A(yù)見的是，改善放大器之間的熔接損耗或利用2.8 μm連續(xù)光光源對(duì)摻鏑氟化物光纖放大器進(jìn)行反向泵浦，能夠?qū)⒚}沖能量進(jìn)一步提升。同時(shí)，這也是摻鏑氟化物光纖放大器的首次實(shí)現(xiàn)，考慮到鏑離子極寬的增益帶寬，從摻鏑氟化物光纖放大器中產(chǎn)生少周期脈沖成為可能。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)將拉曼孤子的頻移范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，研究人員使用長(zhǎng)度為11 m的增益光纖來實(shí)現(xiàn)摻鏑氟化物光纖放大器。圖5(a)展示了該摻鏑氟化物光纖放大器輸出光譜及脈沖能量隨976 nm泵浦功率增加的變化過程。隨著976 nm泵浦功率從7.9 W增加到20 W，拉曼孤子的中心波長(zhǎng)也從3.03 μm頻移至3.63 μm。在整個(gè)過程中未觀察到2.8 μm剩余泵浦光的光譜成分，也沒有出現(xiàn)二階孤子，輸出光譜始終保持純孤子狀態(tài)。該放大器輸出的平均功率以及脈寬隨976 nm泵浦功率的變化，如圖5(b)所示，輸出功率隨泵浦功率增加而增加，脈寬最初先減小并最終保持在200 fs左右。與1.2 m長(zhǎng)摻鏑氟化物光纖放大器的輸出相比，在相同976 nm泵浦功率下該放大器的拉曼孤子具有更遠(yuǎn)的頻移距離、更大的脈寬及更低的脈沖能量。脈沖能量下降主要是由于孤子自頻移過程中的量子虧損及光纖的傳輸損耗而脈寬的增加可歸咎于能量損失及更長(zhǎng)波長(zhǎng)下光纖色散和非線性的變化。其中，頻移最遠(yuǎn)的拉曼孤子位于3.63 μm處，脈沖能量為31.8 nJ，脈寬為210 fs，對(duì)應(yīng)的峰值功率為151 kW，計(jì)算可知孤子階數(shù)為2.2，這意味拉曼孤子仍保持著高階孤子的狀態(tài)。

如前所述，孤子自頻移過程對(duì)輸入脈沖的偏振態(tài)敏感，可以通過改變輸入脈沖的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)拉曼孤子中心波長(zhǎng)的調(diào)諧。實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)放大器前的波片，進(jìn)一步探索了該激光系統(tǒng)的波長(zhǎng)可調(diào)諧性。如圖6所示，在20 W的泵浦功率下，拉曼孤子中心波長(zhǎng)可從3.63 μm連續(xù)調(diào)諧到3.80 μm，相應(yīng)的脈沖能量從31.8 nJ降低到23 nJ，脈沖持續(xù)時(shí)間也從210 fs增加到252 fs，此時(shí)的輸出功率為1.6 W。脈沖能量降低的主要原因是由于氟化物光纖在波長(zhǎng)超過3.6 μm情況下傳輸損耗迅速增加，而通過使用具有更低傳輸損耗的摻鏑氟代銦光纖或許能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

總之，研究人員通過光纖級(jí)聯(lián)放大對(duì)剩余泵浦光回收循環(huán)再利用實(shí)現(xiàn)拉曼孤子的增強(qiáng)放大，提出了一種有效的高效緊湊型孤子自頻移激光系統(tǒng)。該摻鉺/摻鏑氟化物光纖級(jí)聯(lián)放大器實(shí)現(xiàn)了從3 μm到3.8 μm波長(zhǎng)范圍的可調(diào)諧純孤子輸出且在3.8 μm波長(zhǎng)處獲得了脈寬為252 fs，平均功率為1.6 W，脈沖能量為23 nJ的穩(wěn)定超短脈沖，這代表了迄今為止在3.6 μm以上工作的超快光纖激光源在平均功率及脈沖能量方面所報(bào)道的最高水平。更值得注意的是，得益于這種優(yōu)越的級(jí)聯(lián)放大方案，輸出脈沖具有高光譜純度，沒有任何2.8 μm剩余泵浦光或二階拉曼孤子。無(wú)需引入其他光譜濾波技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)中紅外高功率寬帶可調(diào)諧拉曼純孤子輸出，這使得它在分子光譜學(xué)、傳感探測(cè)等應(yīng)用中具有很好的發(fā)展前景。該方法同樣可應(yīng)用在其他孤子自頻移激光系統(tǒng)來產(chǎn)生純孤子脈沖輸出，例如，摻銩和摻鈥石英光纖級(jí)聯(lián)放大器中1.9 μm剩余泵浦光可被回收循環(huán)再利用來放大2.1 μm的拉曼孤子。