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超快非线性光学技术之三十二超宽谱瓦级超快中红外光源

2022-11-21 17:50
光波常
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宽带中红外(2-20 )光源在分子光谱研究领域具有极为重要的应用,推动了气体分析、生物医学诊断等领域的发展。本期文章介绍了一种新型中红外光源,作者采用掺铥光纤激光器驱动三通道非线性波长转换,实现输出波长无缝覆盖1.33 至18 ,并且 该相干光源在90%的带宽上的输出远远超过现有的同步辐射光源。

图1(a)为该光源的装置图。种子脉冲来自于工作在1.55 、重复频率为100 MHz的掺铒光纤振荡器,降低重复频率后利用孤子自频移产生中心波长在1.96 附近的飞秒脉冲,在后续的掺铥光纤放大器中进行啁啾脉冲放大,经过光栅对压缩后获得如图1(b)和图1(c)的光谱和脉冲,脉宽为254fs。

图1 光纤CPA与三通道输出的布局图与CPA光谱和脉冲形状 [1]

压缩后的脉冲注入3个平行通道。通道1采用光子晶体光纤中的孤子自压缩现象实现波长转换。该光子晶体光纤长为2.3cm,在波长大于1.3 时为反常色散,当脉冲在此光纤中传播时可以实现孤子自压缩。当入射功率为7 W时产生最佳光谱展宽,输出的脉冲接近变换极限脉冲,输出功率约为4.5 W。若继续增加输入功率则会导致光谱混乱,光纤也会损坏。图2(a)和图2(b)是测得的输出脉冲的形状和光谱,脉宽为13 fs,主峰能量占比超过40%,波长覆盖1.4-2.4 。

图2 孤子自压缩后输出脉冲与光谱 [1]

通道2利用氟化物光纤产生超连续谱实现波长转换。图3(a)展示了在20nJ,250fs脉冲的光谱在12cmZBLAN光纤中的演化。在演化初期,光谱展宽主要来自于自相位调制效应,大约传播10厘米后,脉冲的自压缩导致脉冲峰值功率增加,自相位调制以外的其他效应更加显著,光谱快速展宽至4.5 。在多次测试后发现,作者确定最佳光纤长度为12cm。图3(b)显示用三个工作在不同波长范围的光谱仪测量的光谱,总功率为1.07 W,用长通滤波器滤波后,波长大于2.4 的功率超过216 mW。

图3(a)光谱演化(b)超连续谱 [1]

通道3采用脉冲内差频实现波长转换。首先脉冲经过5.6cm光子晶体光纤进行脉冲自压缩和光谱展宽,随后将光束聚焦到1 mm厚的GaSe晶体中通过脉冲内差频产生长波中红外光谱。输出光谱波长范围5.3-18 ,输出功率为500mW,总效率约为2%。

图4 三个通道产生的总体光谱 [1]

图4为三通道产生的总光谱图,其亮度与同步辐射光源相当,但成本低了几个数量级,因此更为实用。这套基于掺铥光纤放大器的红外宽光谱系统,仅使用光纤和非线性晶体实现光谱展宽,所输出的超过3个倍频程的超连续谱具有更高的空间和时间相干性,从而为频率梳、时间分辨和场分辨等研究提供了可靠的光源。

参考文献:

[1]T P Butler,N Lilienfein,J Xu,N Nagl,C Hofer,D Gerz,K F Mak,C Gaida,T Heuermann,M Gebhardt,J Limpert,F Krausz,I Pupeza. Multi-octave spanning, Watt-level ultrafast mid-infrared source[J]. Journal of Physics: Photonics,2019,1(4).


       原文标题 : 超快非线性光学技术之三十二 超宽谱瓦级超快中红外光源

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