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超快非线性光学技术之二十七 CLEO2022回顾之四

2022-08-01 11:03
光波常
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波长范围在2-20μm的中红外光源在驱动高次谐波、环境监测和医疗诊断等方面有着重要的应用。今年的CLEO有七个中红外及其应用的分会场,上次分享了关于全光纤中红外激光器的报告,随着中红外光纤的发展,虽然可以在光纤中产生覆盖比较宽光谱的中红外光源,然而在一些需要fceo稳定的应用中还需要额外的锁定,导致系统的复杂度增加。本次分享关于脉冲内自差频产生fceo稳定的中红外光源的两个报告。

第一个报告来自于西班牙巴塞罗那科学技术研究所,研制了超过七个倍频程的光源[1]。实验装置如图1所示,利用OPCPA产生波长在3200nm的种子脉冲,重复频率为160KHz, 平均功率2.8W,脉冲宽度为94fs。之后将种子脉冲注入反谐振光子晶体光纤中进行孤子自压缩,光子晶体光纤的芯直径为92μm,长度为20cm,耦合效率达到93%。自压缩伴随着光谱展宽,也同时产生了紫外波段的色散波。将压缩后的脉冲入射到中红外非线性晶体中进行脉冲内自差频,同时分束用于做电光采样,来测量中红外光谱的电场波形。

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图1 实验装置

如图2所示,当气压大于20bar的时候,脉冲开始自压缩,当气压增加到30bar的时候,脉冲可以自压缩至3.5fs,再增加气压至35bar的时候,会产生紫外区域的色散波,脉冲能量为25nJ。右上图为气压为30bar时的电场形状,对应压缩后脉宽为3.5fs。

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图2 反谐振空芯光纤中脉冲自压缩

然后将自压缩至30fs的3.2μm中红外光,一部分聚焦到AGS中倍频,产生20fs的脉冲,另外一部分作为采样脉冲聚焦到不同的非线性晶体中。通过权衡不同晶体的品质因子和透射范围,选择了ZGP,BGGSe和GaSe三种晶体,右下角图为在三种晶体中进行脉冲内差频产生中红外脉冲的效率。

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图3 不同非线性晶体中进行IPDFG

通过调节反谐振光纤中的气压,可以得到不同范围的光谱,再结合脉冲内自差频产生的光谱,整体光谱范围为340nm到40μm,光谱范围超过七个倍频程。

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图4 七个倍频程光谱

虽然脉冲内自差频能够得到比较宽范围的光谱,但对于第一类相位匹配条件而言,需要泵浦光跟信号光偏振垂直,导致有一半功率被浪费,并且波长几乎不可调。第二个报告来自法国查尔斯法布里实验室,通过选择双色波片来加强这个过程,并且选择不同的波长,实现可调谐的中红外脉冲输出[2]。

实验装置如图5所示,驱动光源产生平均功率为50W、宽度为260fs、中心波长在1030nm的脉冲,经过两级非线性压缩后将脉冲压缩到6.7fs。脉冲压缩的时候伴随着光谱展宽,像SPM产生的两个旁瓣。压缩后脉冲的10%的用于EOS的采样光,90%入射到LGS上产生中红外脉冲。这里双色波片是通过用合适厚度的双折射材料,使得入射光与波片轴夹角为45°时,信号光不发生偏转,泵浦光偏转90°。

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图5 实验装置

经过BWP之后的光谱如图6所示,通过用PBS来将其分开。这个过程会引入较小的群速度色散,从而经过BWP后的短波和长波脉冲宽度增加20%。接下来在传统IPDFG的情况下对比有无BWP时的差别。

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图6 双色波片的作用

以传统的第一类相位匹配条件为例,需要泵浦光为e光,信号光为o光,线偏光以45°夹角入射到非线性晶体上,只有一半的泵浦光为e光,一半的信号光为o光,导致另外一半功率没有满足相位匹配条件而浪费掉。插入BWP之后,当线偏振光与双色波片轴夹角为45°时,泵浦光会旋转90°,信号光不发生偏转。最后,所有的泵浦光均为e光,信号光均为o光,即所有的成分均满足相位匹配条件。

有无BWP时中红外光功率随着φ角的变化如图7所示,当没有BWP时,中红外功率每隔90°达到一次最大值,也就是入射光一半为e光一半为o光的时候,中红外最大功率为8mW。而插入BWP后,则每隔180°达到一次最大值,此时所有泵浦光均为e光,信号光均为o光,最大值功率为20mW,为未插入BWP时的2.5倍。然后通过旋转LGS的角度,使得两部分特定波长的光满足相位匹配条件实现可调谐的波长输出,光斑质量也比较好,8μm时的脉冲宽度为50fs。

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图7 有无BWP时中红外光功率随着φ角的变化对比

总之,随着中红外光纤、非线性晶体以及中红外产生方法的进一步发展,中红外光源的应用场景会进一步扩大。

超快非线性光学技术之二十七 CLEO2022回顾之四


       原文标题 : 超快非线性光学技术之二十七 CLEO2022回顾之四

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