基于空芯光纖的超快脈沖調頻率轉換

空芯光纖包含幾類：帶隙型、負曲率以及布拉格包層。無論哪一類，制備工藝都比較復雜。不少人還會質疑空芯光纖的應用也太過麻煩，非常不成熟。但是；這個充滿新奇物理現象的技術，為很多試驗提供了難得的環境。 ? 今天介紹基于光纖的超快脈沖的可調頻率轉換。使用拉伸的充氮空芯光纖，可以將1μm超快激光脈沖可調地轉換為更長的波長、更短脈沖時間。 ?

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這一張概念圖，左邊的超快激光脈沖（藍色）進入填充有氮氣（紅色分子）的被拉伸的（Stretched）空芯光纖中，在傳播過程中，實現光譜展寬（spectral broadening），右邊是輸出光束（橙色）。這種非線性現象是由拉曼效應（Raman effect）引起的，該拉曼效應與激光場下氣體分子的旋轉（rotations of the gas molecules）有關。 ?

摻鐿光纖（Yb：fiber）激光器可產生中心波長約為1μm的超快脈沖，但在許多應用中（比如產生高諧波、醫學的OCT光學相干斷層掃描）都需要稍長波長的高能超快脈沖（slightly longer-wavelength high-energy ultrafast pulses）。傳統的波長可調超快脈沖源，光學參量放大器（optical parametric amplifier，OPA），將1μm超快脈沖降頻轉換，并允許從1.3到4.5μm的連續調諧，盡管沒有附加頻率也無法達到1.0–1.3μm范圍。另外，OPA一般結構復雜，價格不菲。 ?

這里介紹一種更簡單的方法，可以在1–1.7μm的區域內產生超快脈沖：將1μm的泵浦脈沖沿著長段充氮通道發送空芯光纖中，導致光的極端拉曼紅移（extreme Raman red-shifting）。該方法的另一個好處是將脈沖從200fs縮短到約20fs。?

如何實現？

（A）

（1）對比常規的試驗，一般把空芯光纖中填充有單原子氣體（例如使用氬氣），以對稱地加寬激光的光譜（symmetrically broaden the spectrum of the laser），然后將其重新壓縮為短脈沖。

（2）本次試驗中，研究小組發現，通過使用諸如氮氣，光譜仍然是可能加寬，然而是以不對稱方式發生（ unexpected asymmetric manner）。 ?

光束向更長的紅外（IR）波長展寬，可以過濾輸出光譜，來保留需要應用的波段。通過這種方法，能量傳輸到近紅外光譜范圍，脈沖縮短3倍（效率實現與OPA相當）；而最重要的，這一過程無需任何復雜的設備或額外的脈沖后壓縮系統（pulse post-compression system）。 ?

（B）另一個試驗：研發團隊使用充氮的空芯光纖，沒有過濾光譜，而是使用能夠調節加寬脈沖相位的色散透鏡及時壓縮了光譜。Carpeggiani說：“在這種情況下，紅外線的整體位移不是那么極端，但是最終脈沖卻短得多而且強度更大，非常適合于阿秒和強場物理學（attosecond and strong-field physics）?！??

（C）把空芯光纖（HCF）進行拉伸，然后從基于Yb的放大激光系統中泵入200 fs，1.03μm脈沖。支架使幾米長的空芯光纖可以安全地拉伸和維持強度，從而實現高脈沖壓縮比（80％）。TUWien的裝置使用5.5米長，內徑1毫米的光纖；INRS使用6米長，內徑0.53毫米的光纖，以及broadband chirped mirrors來壓縮脈沖。 ?

由Aleksei Zheltikov領導的莫斯科小組專注于開發理論模型來解釋這些光學現象。通過將這三種方法結合起來，研究人員不僅能夠充分理解復雜的基礎動力學（complex underlying dynamics），而且能夠使用氮實現極高的紅移（extreme red shift），在紅外范圍內實現高效脈沖壓縮（efficient pulse compression）。 ?

研究團隊認為，基于拉曼頻移的方法（Raman-shift-based）可以很好地滿足對激光和強場應用中更長波長超快光源的日益增長的需求，可以先從較便宜的工業級可調系統開始嘗試。 ??




審核編輯：劉清