上海光機所在基于空芯光纖的超快脈沖壓縮與紫外飛秒激光產(chǎn)生研究中取得進展

近日，中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室與杭州光學精密機械研究所羅素先進光波科學中心團隊在基于空芯光纖的氣體非線性光學研究中取得進展。相關(guān)研究成果以“Octave-wide broadening of ultraviolet dispersive wave driven by soliton splitting dynamics”和“Broadband Dispersive-wave Emission Coupled with Two-stage Soliton Self-compression in Gas-filled Anti-resonant Hollow-core Fibers”為題分別發(fā)表于Nature Communications和Laser & Photonics Reviews。

空芯光纖具有高損傷閾值、寬帶傳輸窗口、色散和非線性可調(diào)控等優(yōu)點，為超快激光與氣體介質(zhì)的非線性相互作用研究提供了理想平臺�；�于此平臺的少周期脈沖壓縮、孤子-等離子體相互作用、超連續(xù)譜產(chǎn)生以及紫外飛秒激光產(chǎn)生技術(shù)，在超快電子產(chǎn)生與調(diào)控、超快光譜學研究、燃燒診斷動力學探測等方面具有重大應用潛力。

研究團隊自2019年以來深入開展了空芯光纖非線性光學研究。搭建了先進水平的可調(diào)諧超快激光產(chǎn)生與測量系統(tǒng)，填補了國內(nèi)在該方向上的空白。近年來，團隊在孤子-等離子體相互作用[Optics Letters 44, 1805 (2019), Optics Letters 44, 5562 (2019)]、色散波輻射[Optics Express 28, 17076 (2020), Optics Letters 18, 4830 (2022)]、超快脈沖時域及時空域測量[Optics Letters 45, 5081 (2020), Laser & Photonics Reviews 17, 2200697 (2023)]等方向取得一系列創(chuàng)新研究成果。

近期，研究團隊揭示了空芯毛細管光纖中一種新穎的孤子動力學機制：高階孤子分裂引起的高強度次級脈沖調(diào)制效應。利用該效應實現(xiàn)了微焦量級、高相干度、紫外寬光譜脈沖的產(chǎn)生，所產(chǎn)生的紫外光譜覆蓋一個倍頻程（200-400 nm）。在時域上，該技術(shù)支持傅里葉變換極限脈寬約1 fs的近單周期紫外脈沖，且所產(chǎn)生紫外脈沖的中心波長可通過控制入射脈沖能量和空芯波導中的氣壓進行寬譜調(diào)諧。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Communications (2024) 期刊上。

圖1. (a) 寬帶紫外色散波輻射機理，(b) 窄帶色散波輻射，(c) 倍頻程寬度的色散波輻射，(d) 不同波長下的光斑輪廓

近期，研究團隊也開展了空芯反諧振光纖中多峰結(jié)構(gòu)諧振色散波的輻射機理研究。研究結(jié)果表明諧振色散波的多峰結(jié)構(gòu)是由孤子自壓縮、孤子-等離子體相互作用以及相位匹配色散波輻射三種效應之間的精妙耦合導致。泵浦脈沖在充氣空芯波導中首先經(jīng)歷孤子自壓縮，實現(xiàn)第一次色散波輻射。同時由于氣體電離導致藍移孤子產(chǎn)生，藍移孤子逐漸靠近空芯反諧振光纖的諧振帶時，再次經(jīng)歷孤子自壓縮，從而觸發(fā)第二次色散波輻射。由于兩次色散波輻射的相位匹配條件不同，導致諧振色散波光譜上呈現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)，而時域上出現(xiàn)多個波包。該多峰諧振色散波通過相位補償后能被壓縮成超短激光脈沖。相關(guān)成果發(fā)表于Laser & Photonics Reviews (2024) 期刊上。

圖2. (a) 脈沖在空芯光纖中的時域演化，(b) 光纖中不同位置處的脈沖峰值功率（藍色）、最大等離子體密度（紫色）以及中心頻率（橙色），(c)和(d) 脈沖在空芯光纖中的光譜演化

研究團隊長期聚焦紫外飛秒激光的產(chǎn)生、調(diào)控與診斷這一超快激光領(lǐng)域的國際最前沿，瞄準超快電子產(chǎn)生與調(diào)制，紫外光譜測量與發(fā)動機燃燒診斷等重大應用對于高通量、可調(diào)諧、飛秒時間尺度紫外激光的迫切需求，開展具有前瞻性、探索性與應用性的前沿交叉研究。當前已初步實現(xiàn)了覆蓋高品質(zhì)空芯光纖設(shè)計與制備，空芯波導中激光與氣體相互作用機理研究，紫外飛秒激光產(chǎn)生、調(diào)諧與測量技術(shù)的基礎(chǔ)科研能力。目前，團隊正面向加速器物理（與上海光源等合作）與紫外超快光譜與燃燒診斷技術(shù)（與吉林大學合作），開展紫外飛秒激光裝備與先進應用技術(shù)的交叉研究。

相關(guān)鏈接：1.https://www.nature.com/articles/s41467-024-52955-6；2.https://arxiv.org/pdf/2307.16147