具有覆盖紫外到中红外光谱的超宽带光源可以在测量的过程中对多种分子进行同时标定而不需要更换其他波长的光源,可以加快一些物质探测的过程。然而,由于缺乏相应的增益介质以及缺乏在如此宽光谱内满足相位匹配条件的非线性晶体,导致产生这种光源有一些困难。本次分享的两篇文章结合了多种非线性转换的方式,得到了超过了六个倍频程的覆盖紫外到中红外光源输出。

第一篇文章来自美国标准计量局,他们得到了光谱范围覆盖从350nm到22,000 nm的超过六个倍频程的光源[1]。

图1 实验装置图[1]

如图1所示,实验装置结构简单紧凑,前端种子采用重频为100MHz的掺铒光纤激光器,接着对脉冲进行CPA放大,先预放大至120mW,放大后用保偏光纤展宽,然后用EYDF放大至2．5W,用光栅对压缩至250fs,压缩后功率为2W。

将压缩后的脉冲入射到11cm长的全正高非线性光纤进行展宽光谱至足以支撑10fs的脉冲,然后用镀有增透膜的熔石英光楔和啁啾镜补偿二阶和三阶相位,将脉冲压缩至9．4 fs,脉冲平均功率为1．5W,然后分别入射到PPLN(2mm厚)、CSP(0．56mm厚)和GaSe(1mm厚)中实现非线性波长转换。

图2 在三种晶体中非线性转换得到的光谱[1]

在这三种晶体中通过非线性波长转换后得到的光谱如图2所示:在PPLN中发生了二倍频、四倍频、级联的二阶非线性过程和脉冲内自差频,光谱覆盖350-5500nm;在CSP中主要发生的是脉冲内自差频,产生的光谱覆盖范围为5-15um,平均功率为 3mW,脉冲宽度为59．4 fs(接近变换极限);在GaSe中主要发生的是脉冲内自差频,平均功率为 1．6 mW,光谱覆盖范围为5-22．4um,脉冲宽度为56．4 fs(接近变换极限)。

第二篇文章是来自西班牙巴塞罗那科学技术研究所,他们产生的光源光谱覆盖范围更宽,能够覆盖340nm到40um[2]。

图3 实验装置[2]

实验装置如图3所示,利用OPCPA产生波长在3200nm红外光作为种子源,种子重复频率为160KHz, 平均功率2．8W,脉冲宽度为94fs。然后注入充气式反谐振反射光子晶体光纤中进行孤子自压缩,当气压为25bar时,可以将脉冲压缩至近单周期,继续增加气压至30bar,可同时产生覆盖紫外的色散波。

图4 BGGSe中非线性转换后的光谱[2]

将压缩后的脉冲入射到非线性晶体BGGSe(BaGa2GeSe6)中进行脉冲内自差频。通过充气光子晶体光纤中的气压,调节非线性晶体前的脉冲宽度以及光谱,得到了覆盖340 nm到40,000 nm的近七个倍频程的光源。

这两项工作在得到宽光谱相干光源上取得重要进展,新型晶体BGGSe的表现也很亮眼。随着前端光源能量的进一步提高以及非线性晶体材料的发展,中红外脉冲能量以及光谱范围也会进一步扩展。

参考文献:

[1] Lesko, D．M．B．, Timmers, H．, Xing, S． et al． A six-octave optical frequency comb from a scalable few-cycle erbium fibre laser． Nat． Photonics 15, 281–286 (2021)．

[2] Elu, U．, Maidment, L．, Vamos, L． et al． Seven-octave high-brightness and carrier-envelope-phase-stable light source． Nat． Photonics 15, 277–280 (2021)．