短波红外的毫焦少周期激光源可以以更高效率驱动双色等离子体产生太赫兹脉冲，也可在非氧化物晶体中通过光学差频产生 >5μm的中红外飞秒脉冲。掺铥光纤激光系统可以产生中心波长在2μm附近的百飞秒脉冲，德国耶拿Limpert课题组在2022年将四根掺铥光纤放大器的输出进行相干合成[1]，最终获得了脉冲能量为1.65mJ、重复频率为100kHz的85fs脉冲，突破了单根光纤对单脉冲能量及平均功率的限制，装置如图1所示。
图1 四根掺铥光纤相干合成装置示意图[1]
为了进一步缩短脉冲宽度，Limpert课题组在2023年以上述装置为前端，利用空芯光纤进行压缩[2]。压缩装置结构如图2所示，包括两个分别用于输入和输出的真空室以及一个用于非线性展宽的高压室，高压室内充满氩气。为了减少水蒸气吸收，两个真空室内的气压均保持<1mabr。高压室底侧装有水冷进行散热，避免了高功率下的有害热效应。空芯光纤放置在长直线的V形槽上，避免弯曲带来的损耗。空芯光纤纤芯直径为500μm，长度为1.05m，内部非线性气体选择为氩气，理论最高通过效率为89.5%。
图2 空芯光纤压缩装置示意图 [2]
逐渐增加腔内的气体气压，所对应的输出结果如图3所示。当气压低于3bar时，输出功率在139W左右，且光束质量保持良好（图3a）。当气压高于3bar时，输出功率开始下降，且光束质量出现明显劣化，光斑在4.25bar气压时已明显偏离高斯光束, 如图3b所示。图3c分析了不同气压下输出的光谱宽度，当气压超过3bar之后，光谱随气压增加不再明显展宽，对应的变换极限脉冲也基本维持不变。作者综合考虑上述因素，最终选择3bar气压进行后续实验。
图3 空芯光纤内不同气压输出结果[2]
在3bar气压下测量的光谱和自相关曲线如图4所示，光谱覆盖1.2μm-2.4μm，使用一对啁啾镜补偿色散后，脉冲宽度降为10.2fs，平均功率为132W，脉冲主峰能量占比为66%，峰值功率高达80GW。图5展示了稳定性测试结果，前端输出相对强度噪声为0.75%，集中在20 Hz到50 kHz的频率范围内。在非线性脉冲压缩后，主要的噪声贡献在低至2kHz的低频范围内，这些噪声来自水冷和真空泵的机械振动，证明了压缩过程没有额外噪声的引入，保证了光源的稳定性。
图4 3bar气压下光谱及自相关测量结果[2]
图5 短期稳定性测试[2]
本文采用空芯光纤压缩，获得了中心波长为1.9 μm、宽度为10.2fs的高能量飞秒脉冲，脉冲宽度小于两个周期，脉冲能量为1.3 mJ，峰值功率为80GW。该光源的平均功率为132W，为工作在短波红外区的少周期脉冲的最高功率水平，该高能量、高功率的驱动光源必将大力推动中红外波段激光技术的发展。
参考文献：
[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)
原文标题 : 超快光纤激光技术之三十五 空芯光纤压缩产生1.9μm波段毫焦少周期脉冲
