摻鐿光纖（Yb光纖）激光器可產(chǎn)生中心波長約為1μm的超快脈沖，但在許多應(yīng)用中，包括科學(xué)（高次諧波產(chǎn)生）和醫(yī)學(xué)應(yīng)用（光學(xué)相干斷層掃描的新形式），都需要稍長波長的高能超快脈沖。傳統(tǒng)的波長可調(diào)諧超快脈沖光源——光學(xué)參量放大器（OPA），通過對1μm超快脈沖頻率下轉(zhuǎn)換，并允許從約1.3~4.5μm的連續(xù)調(diào)諧，但沒有附加倍頻也無法到達(dá)重要的1.0~1.3μm范圍。另外，OPA系統(tǒng)龐大、復(fù)雜且成本高昂。

一個國際研究團(tuán)隊(duì)提出了一種簡單得多的方法（因此成本更低），可以在1~1.7μm區(qū)間產(chǎn)生超快脈沖：將1μm泵浦脈沖沿著一段長的充氮空芯光纖傳輸，產(chǎn)生光的極端拉曼紅移。^[1]這種方法的另一個好處是：將脈寬從輸入泵浦脈沖的200fs縮短到約20fs。該團(tuán)隊(duì)成員來自奧地利維也納技術(shù)大學(xué)、加拿大國家科學(xué)研究所（INRS）、立陶宛物理科學(xué)與技術(shù)中心、中國電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)、加拿大Few-Cycle公司、俄羅斯莫斯科國立大學(xué)、俄羅斯量子中心以及美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)。

通常，空芯光纖填充單原子氣體（例如氬氣），以對稱地展寬激光光譜，然后將其重新壓縮為短得多的光脈沖。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過使用諸如氮?dú)庵�類的分子氣體，光譜展寬仍然是可能的，但卻是以出乎意料的非對稱方式進(jìn)行。一旦光束向更長的紅外（IR）波長展寬，研究人員就對輸出光譜進(jìn)行過濾，僅保留感興趣的波段。通過這種方法，能量以比輸入短三倍的脈沖傳輸?shù)浇�紅外光譜范圍內(nèi)（效率與OPA相當(dāng)），而無需任何復(fù)雜的設(shè)備或額外的脈沖后壓縮系統(tǒng)（見圖1）。

圖1：在該概念圖中，超快激光脈沖（藍(lán)色）從左側(cè)進(jìn)入填充有氮?dú)猓�紅色分子）的拉伸空芯光纖中，并且在傳播過程中會經(jīng)歷向更長波長的光譜展寬，圖中描繪為橙色輸出光束（圖右側(cè)）。這種非線性現(xiàn)象是由拉曼效應(yīng)引起的，該拉曼效應(yīng)與激光場下氣體分子的轉(zhuǎn)動有關(guān)，如圖下部分所示。（圖片來源：Riccardo Piccoli，INRS）

盡管上述大部分研發(fā)工作是由INRS的Riccardo Piccoli、Luca Razzari、 Roberto Morandotti及同事完成的，但Andrius Baltuska和Paolo Carpeggiani領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)在維也納的研究團(tuán)隊(duì)擁有與INRS相輔相成的策略。他們也使用了充氮的空芯光纖，但是沒有過濾光譜，而是使用能夠調(diào)節(jié)展寬脈沖相位的色散鏡及時壓縮光譜。Carpeggiani說：“在這種情況下，紅外的整體頻移不是那么極端，但是最終脈沖卻短得多而且更強(qiáng)，完美適合于阿秒和強(qiáng)場物理學(xué)。”

拉伸空芯光纖

在這兩種情況下，實(shí)驗(yàn)裝置均對放置在支架中的空芯光纖（HCF）進(jìn)行拉伸，然后由基于Yb的放大激光系統(tǒng)泵浦200fs的1.03μm脈沖。由INRS衍生出來的初創(chuàng)公司Few-Cycle，推出了用于拉伸和夾持空芯光纖的特殊系統(tǒng)。支架可以安全地拉伸和夾持幾米長的空芯光纖，從而實(shí)現(xiàn)高脈沖壓縮比，效率高達(dá)80％。維也納技術(shù)大學(xué)的裝置基于5.5m長、內(nèi)徑為1mm的光纖；而INRS的裝置基于6m長、內(nèi)徑為0.53mm的光纖，以及用寬帶啁啾鏡來壓縮脈沖。

由Aleksei Zheltikov領(lǐng)導(dǎo)的莫斯科小組專注于開發(fā)理論模型來解釋這些光學(xué)現(xiàn)象。通過將這三種方式結(jié)合起來，研究人員能夠充分理解復(fù)雜的內(nèi)部動力學(xué)，同時還能使用氮實(shí)現(xiàn)極高的紅移，以及在紅外范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的脈沖壓縮。

研究團(tuán)隊(duì)相信，從基于Yb激光技術(shù)的較便宜的工業(yè)級可調(diào)諧系統(tǒng)開始，基于拉曼頻移的方法，可以很好地滿足“激光和強(qiáng)場應(yīng)用中，對更長波長的超快光源”日益增長的需求。

參考文獻(xiàn)

1. P. A. Carpeggiani et al., Optica (2020); https://doi.org/10.1364/optica.397685.