原创 张立昊 光波常
宽带中红外(2-20 ）光源在分子光谱研究领域具有极为重要的应用，推动了气体分析、生物医学诊断等领域的发展。本期文章介绍了一种新型中红外光源，作者采用掺铥光纤激光器驱动三通道非线性波长转换，实现输出波长无缝覆盖1.33 至18 ，并且 该相干光源在90%的带宽上的输出远远超过现有的同步辐射光源。
图1（a）为该光源的装置图。种子脉冲来自于工作在1.55 、重复频率为100 MHz的掺铒光纤振荡器，降低重复频率后利用孤子自频移产生中心波长在1.96 附近的飞秒脉冲，在后续的掺铥光纤放大器中进行啁啾脉冲放大，经过光栅对压缩后获得如图1（b）和图1（c）的光谱和脉冲，脉宽为254fs。
图1 光纤CPA与三通道输出的布局图与CPA光谱和脉冲形状 [1]
压缩后的脉冲注入3个平行通道。通道1采用光子晶体光纤中的孤子自压缩现象实现波长转换。该光子晶体光纤长为2.3cm，在波长大于1.3 时为反常色散，当脉冲在此光纤中传播时可以实现孤子自压缩。当入射功率为7 W时产生最佳光谱展宽，输出的脉冲接近变换极限脉冲，输出功率约为4.5 W。若继续增加输入功率则会导致光谱混乱，光纤也会损坏。图2（a）和图2（b）是测得的输出脉冲的形状和光谱，脉宽为13 fs，主峰能量占比超过40%，波长覆盖1.4-2.4 。
图2 孤子自压缩后输出脉冲与光谱 [1]通道2利用氟化物光纤产生超连续谱实现波长转换。图3（a）展示了在20nJ，250fs脉冲的光谱在12cmZBLAN光纤中的演化。在演化初期，光谱展宽主要来自于自相位调制效应，大约传播10厘米后，脉冲的自压缩导致脉冲峰值功率增加，自相位调制以外的其他效应更加显著，光谱快速展宽至4.5 。在多次测试后发现，作者确定最佳光纤长度为12cm。图3（b）显示用三个工作在不同波长范围的光谱仪测量的光谱，总功率为1.07 W，用长通滤波器滤波后，波长大于2.4 的功率超过216 mW。
图3（a）光谱演化（b）超连续谱 [1]
通道3采用脉冲内差频实现波长转换。首先脉冲经过5.6cm光子晶体光纤进行脉冲自压缩和光谱展宽，随后将光束聚焦到1 mm厚的GaSe晶体中通过脉冲内差频产生长波中红外光谱。输出光谱波长范围5.3-18 ，输出功率为500mW，总效率约为2%。
图4 三个通道产生的总体光谱 [1]图4为三通道产生的总光谱图，其亮度与同步辐射光源相当，但成本低了几个数量级，因此更为实用。这套基于掺铥光纤放大器的红外宽光谱系统，仅使用光纤和非线性晶体实现光谱展宽，所输出的超过3个倍频程的超连续谱具有更高的空间和时间相干性，从而为频率梳、时间分辨和场分辨等研究提供了可靠的光源。
参考文献：
[1]T P Butler,N Lilienfein,J Xu,N Nagl,C Hofer,D Gerz,K F Mak,C Gaida,T Heuermann,M Gebhardt,J Limpert,F Krausz,I Pupeza. Multi-octave spanning, Watt-level ultrafast mid-infrared source[J]. Journal of Physics: Photonics,2019,1(4).