基于空芯光纤的超快脉冲调频率转换

空芯光纤包含几类：带隙型、负曲率以及布拉格包层。无论哪一类，制备工艺都比较复杂。不少人还会质疑空芯光纤的应用也太过麻烦，非常不成熟。但是；这个充满新奇物理现象的技术，为很多试验提供了难得的环境。   今天介绍基于光纤的超快脉冲的可调频率转换。使用拉伸的充氮空芯光纤，可以将1μm超快激光脉冲可调地转换为更长的波长、更短脉冲时间。  

 

这一张概念图，左边的超快激光脉冲（蓝色）进入填充有氮气（红色分子）的被拉伸的（Stretched）空芯光纤中，在传播过程中，实现光谱展宽（spectral broadening），右边是输出光束（橙色）。这种非线性现象是由拉曼效应（Raman effect）引起的，该拉曼效应与激光场下气体分子的旋转（rotations of the gas molecules）有关。  

掺镱光纤（Yb：fiber）激光器可产生中心波长约为1μm的超快脉冲，但在许多应用中（比如产生高谐波、医学的OCT光学相干断层扫描）都需要稍长波长的高能超快脉冲（slightly longer-wavelength high-energy ultrafast pulses）。传统的波长可调超快脉冲源，光学参量放大器（optical parametric amplifier，OPA），将1μm超快脉冲降频转换，并允许从1.3到4.5μm的连续调谐，尽管没有附加频率也无法达到1.0–1.3μm范围。另外，OPA一般结构复杂，价格不菲。  

这里介绍一种更简单的方法，可以在1–1.7μm的区域内产生超快脉冲：将1μm的泵浦脉冲沿着长段充氮通道发送空芯光纤中，导致光的极端拉曼红移（extreme Raman red-shifting）。该方法的另一个好处是将脉冲从200fs缩短到约20fs。 

如何实现？

（A）

（1）对比常规的试验，一般把空芯光纤中填充有单原子气体（例如使用氩气），以对称地加宽激光的光谱（symmetrically broaden the spectrum of the laser），然后将其重新压缩为短脉冲。

（2）本次试验中，研究小组发现，通过使用诸如氮气，光谱仍然是可能加宽，然而是以不对称方式发生（ unexpected asymmetric manner）。  

光束向更长的红外（IR）波长展宽，可以过滤输出光谱，来保留需要应用的波段。通过这种方法，能量传输到近红外光谱范围，脉冲缩短3倍（效率实现与OPA相当）；而最重要的，这一过程无需任何复杂的设备或额外的脉冲后压缩系统（pulse post-compression system）。  

（B）另一个试验：研发团队使用充氮的空芯光纤，没有过滤光谱，而是使用能够调节加宽脉冲相位的色散透镜及时压缩了光谱。Carpeggiani说：“在这种情况下，红外线的整体位移不是那么极端，但是最终脉冲却短得多而且强度更大，非常适合于阿秒和强场物理学（attosecond and strong-field physics）。”  

（C）把空芯光纤（HCF）进行拉伸，然后从基于Yb的放大激光系统中泵入200 fs，1.03μm脉冲。支架使几米长的空芯光纤可以安全地拉伸和维持强度，从而实现高脉冲压缩比（80％）。TUWien的装置使用5.5米长，内径1毫米的光纤；INRS使用6米长，内径0.53毫米的光纤，以及broadband chirped mirrors来压缩脉冲。  

由Aleksei Zheltikov领导的莫斯科小组专注于开发理论模型来解释这些光学现象。通过将这三种方法结合起来，研究人员不仅能够充分理解复杂的基础动力学（complex underlying dynamics），而且能够使用氮实现极高的红移（extreme red shift），在红外范围内实现高效脉冲压缩（efficient pulse compression）。  

研究团队认为，基于拉曼频移的方法（Raman-shift-based）可以很好地满足对激光和强场应用中更长波长超快光源的日益增长的需求，可以先从较便宜的工业级可调系统开始尝试。   




审核编辑：刘清