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