波長調(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轉(zhuǎn)換產(chǎn)生波長可調(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)致長波中紅外飛秒光源無法廣泛應(yīng)用。

針對(duì)該難點(diǎn)，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心L07組在長期開展基于超快激光脈沖產(chǎn)生及波長轉(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)截止波長為4.5μm的長通濾波器，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。






審核編輯：劉清