高峰值功率中红外超快激光在实现软X射线桌面级光源方面具有独特优势。采用过渡金属离子（Ge²?、Fe²?等）掺杂的硫系化合物（ZnSe、ZnS等）作为增益介质的振荡器可输出2.5 µm波段的中红外激光；掺铥（Tm）激光器可输出kW量级的连续激光以及mJ量级的100 fs脉冲激光；掺钬（Ho）激光器在连续掺Tm激光泵浦下可输出几十到几百mJ的2 µm激光；光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）采用近红外或2 µm波长泵浦，可在≥3 µm波长下输出mJ级的超快脉冲[1]。
本文报道了一种可用于后续OPCPA的光纤型激光系统，可在100 MHz下输出脉冲能量超过1 nJ的2 µm激光，同时同步输出波长为3 µm、光谱范围在2.5-3.5 µm之间的30 pJ脉冲，两种输出脉冲均表现出良好的长时间稳定性。
图1 实验装置图[1]实验装置如图1所示，两路均采用掺铒放大器（EDFA）将1550 nm的100 MHz种子源的能量提升至2 nJ，脉宽压缩至40 fs以下。2 µm一路采用12 cm长、色散为1 ps/(nm·km)的高非线性光纤（highly nonlinear fiber，HNLF）实现光谱展宽，展宽后功率剩余108 mW。采用啁啾光纤布拉格光栅（chirped fiber Bragg grating，CFBG）将脉冲展宽至约1.2 ns，功率剩余200 µW。受CFBG的有限带宽影响，脉冲的中心波长为2052 nm，谱宽8 nm。采用长度为3 m的铥、钬共掺双包层增益光纤（纤芯包层6/130 µm）放大脉冲后，脉冲中心波长位于2.05 µm（图2（a）），常温20℃时可放大至118 mW、5℃时可提高至138 mW（图2（b））。
图2 （a）2µm光路中HNLF和Tm:HoDFA后的输出光谱（b）温度为5℃、20℃时的功率放大曲线。插图：增益光纤缠绕在水冷轴上的实物图[1]
3 µm一路采用3 cm长HNLF实现光谱展宽，图3（a）（b）分别展示了3 µm光路中EDFA后的脉冲形状和光谱范围：受放大器内自相位调制作用，光谱宽度较振荡器有所增加。
图3 （a）3 µm路用于HNLF光谱展宽的EDFA输出的SHG-FROG脉冲检索。（b）测量和重建的EDFA输出的光谱和相位[1]光谱展宽后的脉冲经两个镀金的抛物面镜聚焦至氧化镁（MgO）掺杂的PPLN晶体上实现频率下转换。MgO:PPLN晶体可提供24.06-36.95 µm的极化周期范围，对应不同的相位匹配条件，通过脉冲内自差频产生载波包络相位锁定的中红外闲频光。作者在实验中发现，当MgO:PPLN晶体的极化周期为30 µm以下时，可发生如图4（a）所示的级联非线性过程：1.8 µm的拉曼波首先通过SHG产生0.9 µm的近红外光，此近红外光作为泵浦光和1.3 µm的色散波差频产生3 µm附近的中红外光。图4（b）展示了两级非线性过程的泵浦波长与极化周期的关系，当MgO:PPLN晶体的极化周期调节至25.86 µm时，可输出3.9 mW的3 µm中红外光，对应2.3%的转化效率，这是目前已知无外部压缩的单个光纤输出、通过频率下转换产生的最高中红外功率。
图4 （a）HNLF和MgO:PPLN晶体后的光谱。插图：中红外光束的光斑形状。（b）100℃时MgO:PPLN晶体内SHG、DFG的泵浦波长与极化周期的关系[1]本文利用100 MHz光纤激光对脉冲进行光谱展宽和频率下转换，成功搭建了紧凑型、超稳定中红外OPCPA前端，可同步提供>1 nJ的窄带2 µm脉冲 （70 h内功率RMS稳定性为0.18%），与谱宽1 µm、39 pJ超宽带3 µm脉冲（68 h内功率RMS稳定性为0.09%）。以此为基础的中红外OPCPA激光系统，有望成为软X射线高次谐波产生系统的优质驱动光源。
参考文献：
[1] W. HETTEL, G. GOLBA, D. MORRILL, et al. Compact, ultrastable, high repetition-rate 2 µm and 3 µm fiber laser for seeding mid-IR OPCPA [J]. Optics Express, 2024, 32(3):4072-4080.
原文标题 : 超快光纤激光技术之四十六 紧凑超稳定、高重频2 ?m和3 ?m中红外光纤激光
