为了产生波长在X射线波段的高通量孤立阿秒脉冲，需要发展短波红外少周期飞秒驱动光源。这种光源通常采用光参量放大(OPA)和光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)来实现，但这两种技术装置复杂、搭建难度大，基于啁啾脉冲放大（CPA）和非线性压缩技术有望克服以上缺点。来自美国佛罗里达大学物理系的研究团队利用填充的空心芯光纤进行光谱展宽和双通道光场压缩合成产生了中心波长为1.36 μm、脉宽为7 fs的脉冲。实验装置如图1（a）所示，分为前端光源、超连续谱产生、双通道压缩三部分。
Yb：KGW光源提供中心波长在1 μm附近的280 fs脉冲，重复频率为0.25 kHz，脉冲能量为400 μJ。作者使用焦距为750 mm的透镜将脉冲耦合至空芯光纤内，空芯光纤纤芯为400 μm、长度为1.4 m，内部充入了4.6 bar 。该分子气体具有较大的非线性折射率及较强的旋转响应特性，更有利于光谱红移，产生短波红外波段（如图1（b）所示）。作者模拟计算了空芯光纤输出的时频谱，如图1（c）所示，时频谱的两边相较中心向上倾斜，表明红移光谱带有负啁啾、蓝移光谱带有正啁啾，可以用一定厚度的材料实现色散补偿。作者将空芯光纤产生的展宽光谱以1500 nm为界分为两路，短波部分为1000-1500 nm，利用氟化钙补偿色散；长波部分1500-2000 nm，通过融石英补偿色散。
图1 （a）系统装置图，（b）空心芯光纤出口的超连续光谱(灰线)及合成器短波(橙线)和长波(紫线)光谱，（c）短波及长波时频谱模拟结果[1]。
图2展示了用FROG测量两路脉冲压缩的结果，透射的短波部分中心波长为1170 nm，脉宽为12.5 fs，反射的长波部分中心波长为1690 nm，脉宽为22 fs。
图2 (a)和(c)测量的SHG-FROG轨迹，(b)和(d)脉冲宽度(黑色)和相位(红色)。（a）和（b）为短波结果，（c）和（d）为长波结果[1]。
对两路脉冲分别完成压缩后，作者利用双色镜将二者合成为一个脉冲。合成时需满足空间重合、时间重合以及强度匹配，短波1000-1500 nm部分能量更强，在合成时需衰减至合适强度；时间重合需精细调整短波的延迟线。图3展示了两脉冲之间的不同时域差值。将脉冲强度、空间、时间合成调整至最佳状，此时合成脉冲脉宽为7 fs、中心波为1364 nm、单脉冲能量为44 μJ。光纤耦合效率在高气压下仅为33%，导致系统的整体效率为11%，但这已经接近传统OPCPA的效率，而且装置结构更为简单。通过优化空芯光纤参数、内部气体引入压力梯度及选择氦气作为缓冲气体，有望大幅度提高耦合效率，进而提高系统的整体效率。
图3 相对最佳压缩条件，合成器波束在三个不同延迟阶段位置的Gabor变换测量：(a) 0.01 mm，(b) 0.005 mm，(c) 0 mm[1] 。
图4 合成脉冲SHG-FROG测量结果：(a)测量光束，(b)重构光束，(c)时域脉宽(黑色)及相位(红色)，(d)光谱相位(蓝色)、测量光谱(灰色)和重构光谱(红色) [1]。总之，作者利用空芯光纤及双通道光场合成，产生了44 μJ 、7 fs（1.5周期）的短波红外脉冲。该方法弥补了OPA技术脉宽受限于相位匹配带宽的缺点，为产生软X射线阿秒脉冲提供了简单稳定的驱动光源。
参考文献：
[1] Tran-Chau Truong, John E Beetar, and Michael Chini, "Light-field synthesizer based on multidimensional solitary states in hollow-core fibers," Opt. Lett. 48, 2397-2400 (2023)
原文标题 : 超快非线性光学技术之五十 基于空芯光纤的双路光场合成
