超快非线性光学技术之二十六 CLEO2022回顾之二

2022-07-11 14:19

为了得到更高的峰值功率和更短的脉宽，往往需要对高平均功率和单脉冲能量的脉冲进行非线性压缩，目前主要的非线性压缩手段有多通腔和空芯光纤两种。

专注于制造空芯光纤的Few Cycle公司实现了高能量、高功率脉冲在空心光纤中的高效率光谱展宽［1］。

目前多通腔压缩在脉冲能量方面的纪录为112 mJ［2］，平均功率上的纪录为1 kW［3］（脉冲能量为1 mJ），而空芯光纤稍微落后，最高单脉冲能量为70 mJ［4］，在最高平均功率方面为300 W［5］（脉冲能量则是3 mJ），相对多通腔而言，空芯光纤压缩装置在体积和重量方面有一定优势。空芯光纤的损耗主要由耦合、芯径和弯曲决定，耦合越精准、光纤芯径越大越直，透过率越高。

上图展示了对过去毫焦压缩装置的升级改造，在采取更精确的模式匹配措施，芯径更大的光纤后，激光的总传输效率从75％提升为93％，其中空芯光纤透过率达到97％，脉冲被压缩至24．9 fs，运行13小时之类的功率均方根插值为0．26％。

在此基础上将装置集成化，啁啾镜改为空芯光纤，最终可以得到1．3个周期，0．7 mJ的脉冲，总效率70％。

为进一步提升功率，将前端改为板条激光器，在被动散热的情况下可在输出功率为100 W时稳定运行，如上图左所示，功率的进一步提升需要用到风冷，上图右展示了输入脉冲为272 W、11 mJ、1．5 ps时的输出功率、透过率、光谱以及功率稳定性。272 W的输入对应的输出功率为250 W，光谱对应的压缩极限为60 fs，功率标准差约0．6％。

在空芯光纤中进行非线性压缩同样可以扩展到紫外波段。德国DESY使用空芯光纤对紫外脉冲进行非线性光谱展宽［6］。

单脉冲能量在10到100 μJ之间的少周期紫外脉冲具有非常多的用途，比如生物化学、纳米材料、高次谐波产生等，目前获得少周期紫外脉冲的方法主要有和频产生色散波激发、四波混频、频率上转换等，现存的方法无法兼顾少周期脉宽和较高的单脉冲能量。

紫外脉冲产生和非线性光谱展宽可以分开进行，在光谱展宽阶段，自相位调制引起的光谱展宽引入了较多的非线性相移，难以压缩，故可通过互相位调制的方法［7］，令紫外脉冲与功率较高的泵浦脉冲一起传播，通过泵浦脉冲引起的折射率变化对紫外脉冲进行光谱展宽。当泵浦脉冲的前后沿与紫外脉冲重叠时，可赋予紫外脉冲负啁啾，而空芯光纤的窗口片为正色散材料，二者产生的啁啾可以抵消，达到脉冲压缩的目的。考虑到自陡峭和脉冲间的走离，将紫外脉冲控制在泵浦脉冲前沿较为合适。为减小紫外脉冲自身的自相位调制造成的干扰，其本身应具有相对泵浦脉冲而言较小的脉宽和功率。

实验装置如上图所示，由钛宝石激光器产生的35 fs、3 kHz脉冲分为两路，一路为0．85 mJ，经BBO晶体进行二倍频和和频产生后变为18 μJ、49 fs、中心波长267 nm的三次谐波紫外脉冲，另一路为0．96 mJ、40 fs的泵浦脉冲，二者在长1m、芯径200 μm、充有1．4 bar氖气的空芯光纤中进行互相位调制。

实验结果如上图所示，左上为模拟所得输入和输出紫外脉冲的光谱，展宽后光谱对应的极限脉宽从16 fs减小为1．9 fs，右上为实际测得光谱及其相位，脉冲分布在260 nm到300 nm的范围内，下方分别为输入脉冲，输出脉冲和将窗口片变薄0．2 mm时的形状，红色为对应的变换极限脉冲，经过空芯光纤后脉冲从49 fs压缩至8．7 fs，极限脉冲为5．7 fs，消减窗口片的正色散将导致脉冲的脉宽增加。在此基础上进一步减小脉宽，提高脉冲能量，增大光纤孔径和气压预计可以获得脉冲能量为30 μJ、长度为两个周期的脉冲。