充滿氮氣的中空光纖使得雷射的光譜可調製到紅外波長的範圍

2020-10-19 江蘇雷射產業創新聯盟


江蘇雷射聯盟導讀：來自加拿大的研究人員，報導了一種新的可以調製雷射光譜到紅外的波長範圍的新技術，使用充滿氮氣的中空光纖來傳輸比輸入的雷射脈衝要短的光學脈衝，可以實現高的空間質量的傳輸。而現有的超快雷射技術，要麼不能，要麼不太容易在紅外波長範圍內實現調製，需要非線性的工藝、階段和/或部件來轉移發射的波長。


來自位於加拿大魁北克大學國立科學研究院（Institut national de la recherche scientifique，INRS）的研究人員在近日為大家展示了一種新的可以調製雷射光譜到紅外的波長範圍的新技術。同國際合作者共同攻關， Luca Razzari 領導的項目攻關小組使用充滿氮氣的中空光纖來傳輸比輸入的雷射脈衝要短的光學脈衝，可以實現高的空間質量的傳輸。


而現有的超快雷射技術，要麼不能，要麼不太容易在紅外波長範圍內實現調製，需要非線性的工藝、階段和/或部件來轉移發射的波長。


實驗所用的裝置及其主要的研究結果


通常來說，中空的光纖包含單原子氣體，例如氬氣，來對稱的拓寬雷射的光譜和重新將其壓縮成壓縮的光學脈衝。研究人員的結果展示，儘管充滿氮氣的毛細管光纖可以具有實現拓寬雷射光譜的能力，在這種情況下的光譜的轉移仍然 在紅外波長範圍內活力不足。其原因在於氣孔分子的旋轉所造成的非線性反應。這意味著科學家可以非常容易的在光纖中控制氣體的壓力。


雷射光學脈衝（紅色）從左邊進入充滿氮氣（紅色分子）的中空光纖，沿著傳播，經歷一個光譜拓寬實現更長的波長（橘黃色）


圖解：這一非線性的現象是拉曼光譜的效應所造成的，在這一過程中伴隨著氣體分子在雷射場中的旋轉，這一過程在底部的平板中進行了示意。當光束加寬後（進入到紅外波長），研究人員過濾輸出的光譜來保留所需要的光譜。在這一過程中能量轉換成近紅外的波長範圍內，其效率同在一個脈衝中的光學參量放大器（optical parametric amplifier (OPA)）所取得的效率的輸入雷射的三倍還要短。


光學參量放大器（optical parametric amplifier (OPA)）是一個比較成熟的工具，可以非常容易地移動到紅外窗口，並且光學參量數放大器（optical parametric amplifier (OPA)）系統可以額外地拓寬可以調製地範圍。光學參量放大器（optical parametric amplifier (OPA)）系統比較複雜，但經常由多功能和特徵明顯地階段所組成。


在極端拉曼光譜紅色偏移背後地物理現象


這一新的辦法既不需要外部裝置也不需要額外的脈衝後壓縮系統來實現相應地功能。


相似的研究，曾經使用一個工藝來通過鏡子壓縮中空的光纖，從而保留調節寬帶脈衝的相，從而代替光譜的過濾工藝。通過在系統中紅外的消減造成的偏移和並沒有如同加拿大的研究結果一樣極端，其得到的脈衝非常短。新的雷射脈衝的強度可以使得它比較適宜阿秒和強場物理領域中的應用。


在發現了他們的這一現象的相似性之後，這兩個研究小組匯集了他們的專業知識 。第三個研究小組，在 Aleksei Zheltikov 的領導下，在莫斯科，發展了一個理論模型，旨在解釋這一結果。


光譜的拓寬，光譜的光纖輸出


這三個研究團隊相信，新的辦法可以幫助實現滿足長波長超短脈衝光源在雷射和強場領域的應用。強場物理領域的應用，包括雷射為基礎的應用、 高次諧波產生、光電光譜學、等離子物理以及微加工等。研究團隊識別了建立在Yb為基礎的雷射技術以及其他領域應用的工業級別的可調製系統。


在HCF之後在內孔直徑不同時的脈衝壓縮結果


光譜在過濾外部葉後的瞬時時間表徵


這一研究成果發表在期刊《Optica》上。


文章來源：Extreme Raman red shift: ultrafast multimode nonlinear space-time dynamics, pulse compression, and broadly tunable frequency conversion ,Optica Vol. 7, Issue 10, pp. 1349-1354 (2020) •https://doi.org/10.1364/OPTICA.397685

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