多级光参量放大是获得波长在2 µm附近的高能量脉冲的常用方法。然而，这类装置在没有主动稳定和同步系统的情况下，很难产生波形稳定的飞秒脉冲。本文采用光谱拓展和脉冲内差频（Intra-pulse difference frequency generation，IDFG）技术，获得了中心波长在1.8 µm、功率达到瓦级的短波红外光源。该光源的载波包络相位（Carrier envelope phase，CEP）稳定，可在较宽范围内实现波长调谐；该课题组利用此光源还产生了500-2500 nm、跨越2.5个倍频程的超连续谱[1]。
图1：实验装置图[1]
实验装置如图1所示，此装置的前端采用Yb：YAG薄盘再生放大器，将中心波长为1030 nm的50 kHz种子源的能量提升至2.3 mJ，平均功率达到115 W，脉宽经啁啾镜压缩后为200 fs，作者将73W脉冲通过两级非线性压缩进一步缩短脉冲。压缩装置包含一级多通腔（Multipass cell，MPC）和一级空芯光纤（Hollow-core fiber，HCF）。MPC内充有200 mbar氩气（Ar），使用4f成像系统实现多通传播，光谱展宽后的脉冲经啁啾镜压缩至40 fs，MPC与啁啾镜压缩的总效率为96%。HCF长度为2.3 m，内径为500 µm，前端为真空，末端充有800 mbar Ar气，经3对啁啾镜压缩后得到7.1 fs、单脉冲能量为1 mJ的脉冲。图2显示了MPC以及HCF的输出光谱以及脉冲的时域形状，两级非线性压缩后光谱可覆盖700-1200 nm。
图2：MPC和HCF输出光谱，左侧插图为HCF压缩后的时域宽度和变换极限脉冲，右侧插图为光斑形状[1]
两级非线性压缩装置输出的脉冲使用1 mm厚的偏硼酸钡（beta barium borate，BBO）晶体实现脉冲内自差频，产生短波红外（Short wavelength infrared，SWIR）飞秒脉冲，平均功率可达1.3 W，单脉冲能量为26 µJ。如图3（a）所示，当相位匹配在中心波长为1.8 µm处实现时，转化效率最高，达到2.7%，且在1.8 µm前后200 nm范围内，强度下降小于20%；图3（b）显示了SWIR压缩后的脉冲形状，脉宽为30.6 fs。为了测量该红外脉冲光源的CEP稳定性，作者利用近红外（Near infrared，NIR）与SWIR两个波段产生和频光（Sum-frequency generation，SFG），如图1所示，SFG与NIR有部分光谱重叠，将e轴的SFG投影到o轴，可使两段光谱的重叠部分发生干涉，NIR的相位被SFG抵消，干涉条纹仅与SWIR的CEP相位相关，因此可通过探测干涉条纹间接测量SWIR的CEP稳定性。图3（c）展示了两条相位相差π的干涉条纹，图3（d）展示了干涉条纹在2小时内的稳定性，RMS变化为19 mrad，证明SWIR脉冲光源的CEP非常稳定。
图3：（a）使用30°左右不同相位匹配角生成的SWIR光谱 （b）1.8 µm处的时域脉宽及傅里叶变换极限（c）用于CEP稳定性分析的干涉条纹，虚线为相位移动π后的干涉条纹（d）2h内记录的干涉条纹[1]
作者将全功率的SWIR聚焦到500 µm的二氧化钛（）晶体上实现光谱展宽，展宽前后的光谱如图4（a）所示，可覆盖1400-2300 nm。在展宽光谱的同时，晶体还可以提供色散补偿，从而将脉冲压窄至14.9 fs。该脉冲被耦合进入充有3-5 bar 氪气（Kr）的HCF（内径为120 µm），展宽光谱可覆盖500-2500 nm波段，跨越2.5个倍频程，如图4（c）所示。蓝移至500 nm的色散波证明光源具有足够高的峰值功率。
图4：（a）经TiO2晶体展宽前后的SWIR光谱（b）通过TiO2晶体后的脉冲形状（c）在充有3-5 bar 氪气（Kr）的HCF展宽后的超连续谱[1]
本文报道了一种中心波长在1.8 µm附近可调并具有高CEP稳定性飞秒光源，脉宽为30.6 fs，平均功率可达1.3 W，单脉冲能量为26 µJ，进一步放大后有望在强场物理中获得重要应用[1]。
参考文献：
[1] Simon Reiger, Mikhail Mamaikin, Dmitrii Kormin, et al. Ultra-phase-stable infrared light source at the watt level[J]. Optics Letters, 2024, 49(4):1049-1052.
原文标题 : 超快非线性光学技术之五十二 载波包络相位稳定的瓦级红外光源
