空芯光纖包含幾類：帶隙型、負(fù)曲率以及布拉格包層。無(wú)論哪一類，制備工藝都比較復(fù)雜。不少人還會(huì)質(zhì)疑空芯光纖的應(yīng)用也太過(guò)麻煩，非常不成熟。但是；這個(gè)充滿新奇物理現(xiàn)象的技術(shù)，為很多試驗(yàn)提供了難得的環(huán)境。 ? 今天介紹基于光纖的超快脈沖的可調(diào)頻率轉(zhuǎn)換。使用拉伸的充氮空芯光纖，可以將1μm超快激光脈沖可調(diào)地轉(zhuǎn)換為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)、更短脈沖時(shí)間。 ?

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這一張概念圖，左邊的超快激光脈沖（藍(lán)色）進(jìn)入填充有氮?dú)猓t色分子）的被拉伸的（Stretched）空芯光纖中，在傳播過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)光譜展寬（spectral broadening），右邊是輸出光束（橙色）。這種非線性現(xiàn)象是由拉曼效應(yīng)（Raman effect）引起的，該拉曼效應(yīng)與激光場(chǎng)下氣體分子的旋轉(zhuǎn)（rotations of the gas molecules）有關(guān)。 ?

摻鐿光纖（Yb：fiber）激光器可產(chǎn)生中心波長(zhǎng)約為1μm的超快脈沖，但在許多應(yīng)用中（比如產(chǎn)生高諧波、醫(yī)學(xué)的OCT光學(xué)相干斷層掃描）都需要稍長(zhǎng)波長(zhǎng)的高能超快脈沖（slightly longer-wavelength high-energy ultrafast pulses）。傳統(tǒng)的波長(zhǎng)可調(diào)超快脈沖源，光學(xué)參量放大器（optical parametric amplifier，OPA），將1μm超快脈沖降頻轉(zhuǎn)換，并允許從1.3到4.5μm的連續(xù)調(diào)諧，盡管沒(méi)有附加頻率也無(wú)法達(dá)到1.0–1.3μm范圍。另外，OPA一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格不菲。 ?

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

如何實(shí)現(xiàn)？

（A）

（1）對(duì)比常規(guī)的試驗(yàn)，一般把空芯光纖中填充有單原子氣體（例如使用氬氣），以對(duì)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(yàn)中，研究小組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用諸如氮?dú)猓庾V仍然是可能加寬，然而是以不對(duì)稱方式發(fā)生（ unexpected asymmetric manner）。 ?

光束向更長(zhǎng)的紅外（IR）波長(zhǎng)展寬，可以過(guò)濾輸出光譜，來(lái)保留需要應(yīng)用的波段。通過(guò)這種方法，能量傳輸?shù)浇t外光譜范圍，脈沖縮短3倍（效率實(shí)現(xiàn)與OPA相當(dāng)）；而最重要的，這一過(guò)程無(wú)需任何復(fù)雜的設(shè)備或額外的脈沖后壓縮系統(tǒng)（pulse post-compression system）。 ?

（B）另一個(gè)試驗(yàn)：研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用充氮的空芯光纖，沒(méi)有過(guò)濾光譜，而是使用能夠調(diào)節(jié)加寬脈沖相位的色散透鏡及時(shí)壓縮了光譜。Carpeggiani說(shuō)：“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(qiáng)度更大，非常適合于阿秒和強(qiáng)場(chǎng)物理學(xué)（attosecond and strong-field physics）。” ?

（C）把空芯光纖（HCF）進(jìn)行拉伸，然后從基于Yb的放大激光系統(tǒng)中泵入200 fs，1.03μm脈沖。支架使幾米長(zhǎng)的空芯光纖可以安全地拉伸和維持強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)高脈沖壓縮比（80％）。TUWien的裝置使用5.5米長(zhǎng)，內(nèi)徑1毫米的光纖；INRS使用6米長(zhǎng)，內(nèi)徑0.53毫米的光纖，以及broadband chirped mirrors來(lái)壓縮脈沖。 ?

由Aleksei Zheltikov領(lǐng)導(dǎo)的莫斯科小組專注于開(kāi)發(fā)理論模型來(lái)解釋這些光學(xué)現(xiàn)象。通過(guò)將這三種方法結(jié)合起來(lái)，研究人員不僅能夠充分理解復(fù)雜的基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)（complex underlying dynamics），而且能夠使用氮實(shí)現(xiàn)極高的紅移（extreme red shift），在紅外范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效脈沖壓縮（efficient pulse compression）。 ?

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，基于拉曼頻移的方法（Raman-shift-based）可以很好地滿足對(duì)激光和強(qiáng)場(chǎng)應(yīng)用中更長(zhǎng)波長(zhǎng)超快光源的日益增長(zhǎng)的需求，可以先從較便宜的工業(yè)級(jí)可調(diào)系統(tǒng)開(kāi)始嘗試。 ??




審核編輯：劉清