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短波紅外的毫焦少周期激光源可以以更高效率驅(qū)動(dòng)雙色等離子體產(chǎn)生太赫茲脈沖，也可在非氧化物晶體中通過光學(xué)差頻產(chǎn)生 >5μm的中紅外飛秒脈沖。摻銩光纖激光系統(tǒng)可以產(chǎn)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(jìn)行相干合成[1]，最終獲得了脈沖能量為1.65mJ、重復(fù)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]

為了進(jìn)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(jìn)行壓縮[2]。壓縮裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括兩個(gè)分別用于輸入和輸出的真空室以及一個(gè)用于非線性展寬的高壓室，高壓室內(nèi)充滿氬氣。為了減少水蒸氣吸收，兩個(gè)真空室內(nèi)的氣壓均保持<1mabr。高壓室底側(cè)裝有水冷進(jìn)行散熱，避免了高功率下的有害熱效應(yīng)。空芯光纖放置在長直線的V形槽上，避免彎曲帶來的損耗?？招竟饫w纖芯直徑為500μm，長度為1.05m，內(nèi)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(nèi)的氣體氣壓，所對應(yīng)的輸出結(jié)果如圖3所示。當(dāng)氣壓低于3bar時(shí)，輸出功率在139W左右，且光束質(zhì)量保持良好（圖3a）。當(dāng)氣壓高于3bar時(shí)，輸出功率開始下降，且光束質(zhì)量出現(xiàn)明顯劣化，光斑在4.25bar氣壓時(shí)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(dāng)氣壓超過3bar之后，光譜隨氣壓增加不再明顯展寬，對應(yīng)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(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖3 空芯光纖內(nèi)不同氣壓輸出結(jié)果[2]

在3bar氣壓下測量的光譜和自相關(guān)曲線如圖4所示，光譜覆蓋1.2μm-2.4μm，使用一對啁啾鏡補(bǔ)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(dá)80GW。圖5展示了穩(wěn)定性測試結(jié)果，前端輸出相對強(qiáng)度噪聲為0.75%，集中在20 Hz到50 kHz的頻率范圍內(nèi)。在非線性脈沖壓縮后，主要的噪聲貢獻(xiàn)在低至2kHz的低頻范圍內(nèi)，這些噪聲來自水冷和真空泵的機(jī)械振動(dòng)，證明了壓縮過程沒有額外噪聲的引入，保證了光源的穩(wěn)定性。

圖4 3bar氣壓下光譜及自相關(guān)測量結(jié)果[2]

圖5 短期穩(wěn)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(gè)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(qū)的少周期脈沖的最高功率水平，該高能量、高功率的驅(qū)動(dòng)光源必將大力推動(dòng)中紅外波段激光技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[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)