應用于光譜或顯微技術的超連續譜或白光激光器光源通常包括泵浦激光器和微結構光纖(光子晶體光纖或者楔形光纖)。盡管鈦藍寶石激光器輸出的80飛秒脈沖和Yb玻璃激光器輸出的200飛秒脈沖都可用于產生超連續光束,但Stuttgart大學和馬克思普朗克學院卻展示了更加緊湊的低成本便攜式超連續光源,它采用折疊腔設計,整體尺寸僅為62cm。
用一個大小為5mm、各向同性、摻Yb 9.5%的磷酸玻璃作為增益介質,所有的參數都與偏振無關,可采用非偏振的光纖耦合激光二極管作為泵浦光源,這種光源比激光二極管陣列的光束質量更好,即使中等泵浦功率也可以產生高輸出功率,因此可用Peltier制冷器代替水冷裝置。
激光腔包括一個z字型折疊結構,整個諧振腔長度為7.5m,輸出脈沖的重復頻率為20MHz(見圖)。用波長976nm、功率5.2W的光纖耦合激光二極管泵浦激光介質,激光傳輸介質采用芯徑50祄的多模光纖。激光束被聚焦到半導體可飽和吸收鏡(SESAM)上,產生穩定的孤子鎖模脈沖。為減少元件數目,腔內色散和自相位調制采用平坦色散鏡進行補償。最后,一個輸出耦合器使光從諧振腔中輸出,它主要通過位于光腔中心的Herriott型多通道單元獲得較長的光束路徑。
這一飛秒超連續光源的緊湊結構是由z字型折疊腔結構中的多個透鏡和腔鏡組成的。腔鏡M4和M5之間的多通道單元內的光束路徑僅僅是示意說明,實際上光束在兩腔鏡之一的每個鏡面上都反射了九次。
盡管腔的結構顯得很復雜,但其配置方式完全是根據一個簡單的方程來確定的。在激光器的腔內插入一片1mm厚的石英片作為雙折射濾波器,可調諧激光輸出。例如,脈寬為180fs的光脈沖的波長能在1038~1047nm范圍內調諧。在泵浦功率為4.5~5.2W的鎖模機制中,激光器可以產生150fs的光脈沖,重復頻率為20MHz。在泵浦功率低于4.5W時,可觀察到激光器連續輸出。
利用飛秒激光器泵浦三種不同類型的楔形光纖以產生超連續光束。為使激光器免受光纖中后向反射光的損傷,在激光輸出耦合器與光纖耦合元件之間放置了一個法拉第隔離器。三段光纖的束腰長度均為90mm,但束腰直徑不同,分別為2.0祄、2.7祄和4.3祄。最小的束腰直徑產生超連續光譜并移至更短的紫外波長,而最大的束腰直徑使光譜范圍擴展到更長的紅外波長。對于束腰直徑為2.7祄的光纖,當泵浦激光耦合到光纖中的平均功率為600mW時,在波長為400~1650nm的范圍內,可獲得平均功率為290mW的連續譜。
泵浦激光器的均方根(RMS)光強噪聲為0.43%,這致使白光光源的全部光強噪聲達到0.79%。在中心波長633nm附近15nm寬的光譜區域內,計算出的光強噪聲RMS僅為2.34%。
研究人員打算使用更小的機械元件來進一步縮小這一緊湊激光器的幾何尺寸。研究員Felix Hoos說,“與鈦藍寶石激光器和綠光泵浦激光器以及非線性光纖組合而成的結構相比,這一系統在尺寸上至少縮小了一半。通過使用自行設計的元件和更小的泵浦二極管,有可能將該激光器的尺寸再縮小一半。而且,使用更小的光纖耦合元件也將節省更多空間?!?