短波紅外的毫焦少周期激光源可以以更高效率驅動雙色等離子體產生太赫茲脈沖，也可在非氧化物晶體中通過光學差頻產生 >5μm的中紅外飛秒脈沖。摻銩光纖激光系統可以產生中心波長在2μm附近的百飛秒脈沖，德國耶拿Limpert課題組在2022年將四根摻銩光纖放大器的輸出進行相干合成[1]，最終獲得了脈沖能量為1.65mJ、重復頻率為100kHz的85fs脈沖，突破了單根光纖對單脈沖能量及平均功率的限制，裝置如圖1所示。
圖1 四根摻銩光纖相干合成裝置示意圖[1]
(資料圖片)
為了進一步縮短脈沖寬度，Limpert課題組在2023年以上述裝置為前端，利用空芯光纖進行壓縮[2]。壓縮裝置結構如圖2所示，包括兩個分別用于輸入和輸出的真空室以及一個用于非線性展寬的高壓室，高壓室內充滿氬氣。為了減少水蒸氣吸收，兩個真空室內的氣壓均保持<1mabr。高壓室底側裝有水冷進行散熱，避免了高功率下的有害熱效應。空芯光纖放置在長直線的V形槽上，避免彎曲帶來的損耗。空芯光纖纖芯直徑為500μm，長度為1.05m，內部非線性氣體選擇為氬氣，理論最高通過效率為89.5%。
圖2 空芯光纖壓縮裝置示意圖 [2]
逐漸增加腔內的氣體氣壓，所對應的輸出結果如圖3所示。當氣壓低于3bar時，輸出功率在139W左右，且光束質量保持良好（圖3a）。當氣壓高于3bar時，輸出功率開始下降，且光束質量出現明顯劣化，光斑在4.25bar氣壓時已明顯偏離高斯光束, 如圖3b所示。圖3c分析了不同氣壓下輸出的光譜寬度，當氣壓超過3bar之后，光譜隨氣壓增加不再明顯展寬，對應的變換極限脈沖也基本維持不變。作者綜合考慮上述因素，最終選擇3bar氣壓進行后續實驗。
圖3 空芯光纖內不同氣壓輸出結果[2]
在3bar氣壓下測量的光譜和自相關曲線如圖4所示，光譜覆蓋1.2μm-2.4μm，使用一對啁啾鏡補償色散后，脈沖寬度降為10.2fs，平均功率為132W，脈沖主峰能量占比為66%，峰值功率高達80GW。圖5展示了穩定性測試結果，前端輸出相對強度噪聲為0.75%，集中在20 Hz到50 kHz的頻率范圍內。在非線性脈沖壓縮后，主要的噪聲貢獻在低至2kHz的低頻范圍內，這些噪聲來自水冷和真空泵的機械振動，證明了壓縮過程沒有額外噪聲的引入，保證了光源的穩定性。
圖4 3bar氣壓下光譜及自相關測量結果[2]
圖5 短期穩定性測試[2]
本文采用空芯光纖壓縮，獲得了中心波長為1.9 μm、寬度為10.2fs的高能量飛秒脈沖，脈沖寬度小于兩個周期，脈沖能量為1.3 mJ，峰值功率為80GW。該光源的平均功率為132W，為工作在短波紅外區的少周期脈沖的最高功率水平，該高能量、高功率的驅動光源必將大力推動中紅外波段激光技術的發展。
參考文獻：
[1] Tobias Heuermann, Ziyao Wang, Mathias Lenski, Martin Gebhardt, Christian Gaida, Mahmoud Abdelaal, Joachim Buldt, Michael Müller, Arno Klenke, and Jens Limpert, "Ultrafast Tm-doped fiber laser system delivering 1.65-mJ, sub-100-fs pulses at a 100-kHz repetition rate," Opt. Lett. 47, 3095-3098 (2022)
[2] Ziyao Wang, Tobias Heuermann, Martin Gebhardt, Mathias Lenski, Philipp Gierschke, Robert Klas, Jan Rothhardt, Cesar Jauregui, and Jens Limpert, "Nonlinear pulse compression to sub-two-cycle, 1.3 mJ pulses at 1.9 μm wavelength with 132 W average power," Opt. Lett. 48, 2647-2650 (2023)
原文標題 : 超快光纖激光技術之三十五 空芯光纖壓縮產生1.9μm波段毫焦少周期脈沖
