波長(zhǎng)調(diào)諧范圍覆蓋6-20μm的高重復(fù)頻率(>10MHz)、高平均功率(>10mW)飛秒激光源具有重要的應(yīng)用,由于大量分子在這個(gè)波段具有振動(dòng)躍遷,因此有望用于痕量氣體檢測(cè)以及對(duì)由氣體、液體或固體組成的復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行與物理、化學(xué)或生物學(xué)相關(guān)的非侵入性診斷。但由于增益介質(zhì)的缺乏,這些中紅外源通常利用高功率近紅外飛秒激光器驅(qū)動(dòng)光學(xué)差頻產(chǎn)生(DFG)來實(shí)現(xiàn):近紅外激光脈沖的一部分用作泵浦脈沖,另一部分采用非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)的信號(hào)脈沖,泵浦脈沖和信號(hào)脈沖之間的DFG產(chǎn)生可調(diào)諧的中紅外脈沖。利用傳統(tǒng)非線性光學(xué)手段產(chǎn)生的信號(hào)光脈沖能量較低,限制了中紅外光源的功率,導(dǎo)致長(zhǎng)波中紅外飛秒光源無法廣泛應(yīng)用。針對(duì)該難點(diǎn),中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心L07組在長(zhǎng)期開展基于超快激光脈沖產(chǎn)生及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上,利用自相位調(diào)制的光譜旁瓣濾波(SPM-enabled spectral selection,SESS)技術(shù),基于高功率摻鉺光纖激光器在高非線性光纖中得到了波長(zhǎng)范圍覆蓋1.6-1.94μm、功率高達(dá)300mW(~10nJ)的信號(hào)脈沖,再與1.55μm的泵浦脈沖在GaSe晶體中差頻得到了波長(zhǎng)覆蓋7.7-17.3μm的中紅外激光脈沖,最大平均功率可達(dá)58.3mW。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,前端為自制的高功率摻鉺光纖激光器系統(tǒng),重復(fù)頻率為32MHz,經(jīng)過啁啾脈沖放大后得到平均功率為4W、脈沖能量為125nJ、寬度為
290fs的脈沖。將激光脈沖分成兩份,一份作為泵浦脈沖,另一份耦合到SESS光纖中進(jìn)行光譜展寬。光纖輸出處的展寬光譜由二向色鏡分離,長(zhǎng)通濾波器(圖中的LPF1)將最右邊的光譜旁瓣過濾出來作為信號(hào)脈沖。泵浦脈沖經(jīng)過時(shí)間延遲線與信號(hào)脈沖在時(shí)間上重合后聚焦到GaSe晶體上,光斑大小約為50μm。再通過另一個(gè)截止波長(zhǎng)為4.5μm的長(zhǎng)通濾波器,生成的中紅外光束經(jīng)焦距為75mm的90°離軸拋物面鏡準(zhǔn)直。利用校準(zhǔn)的熱敏功率計(jì)測(cè)量中紅外脈沖的平均功率,傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀來測(cè)量輸出光譜。圖2(a)為1mm-GaSe后輸出光譜和功率,光譜范圍為7.7-17.3μm,最大平均功率為30.4
mW。為了進(jìn)一步提高輸出功率,我們采用2mm厚的GaSe晶體,結(jié)果如圖2(b)所示,整個(gè)光譜調(diào)諧范圍內(nèi)脈沖功率均大于10mW,最大平均功率達(dá)58.3mW。相比于以往基于摻鐿光纖的中紅外光源,本研究成果將DFG平均功率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),并首次實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了工作在光參量放大機(jī)制下的高重頻DFG過程。該高功率長(zhǎng)波中紅外光源基于結(jié)構(gòu)緊湊的光纖激光器,可以用于實(shí)現(xiàn)中紅外雙光梳,從而推動(dòng)中紅外光梳在精密光譜學(xué)中的前沿應(yīng)用。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近的Optics Letters上,被選為Editor's Pick并成為當(dāng)天下載量最多的5篇論文之一。
圖2 在不同厚度GaSe后測(cè)量到的中紅外光譜和功率:(a) 1mm-GaSe(b)2mm-GaSe。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):No.62227822和62175255)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際交流項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):No.
GJHZ1826)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):No.
2021YFB3602602)的支持。論文第一作者為物理所博士生劉洋,常國(guó)慶特聘研究員為通訊作者,趙繼民、魏志義研究員也參與了該工作的設(shè)計(jì)和討論。https://doi.org/10.1364/OL.482461

?
?