超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡報

(第五百六十四期)

2024年10月21日

上海光機(jī)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(jìn)展

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與羅素先進(jìn)光波科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)在基于空芯光纖的氣體非線性光學(xué)研究中取得進(jìn)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(diǎn)，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?；诖似脚_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(xué)研究、燃燒診斷動力學(xué)探測等方面具有重大應(yīng)用潛力。

研究團(tuán)隊(duì)自2019年以來深入開展了空芯光纖非線性光學(xué)研究。搭建了先進(jìn)水平的可調(diào)諧超快激光產(chǎn)生與測量系統(tǒng)，填補(bǔ)了國內(nèi)在該方向上的空白。近年來，團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)揭示了空芯毛細(xì)管光纖中一種新穎的孤子動力學(xué)機(jī)制：高階孤子分裂引起的高強(qiáng)度次級脈沖調(diào)制效應(yīng)。利用該效應(yīng)實(shí)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(dǎo)中的氣壓進(jìn)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(jī)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(tuán)隊(duì)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(jī)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(yīng)之間的精妙耦合導(dǎo)致。泵浦脈沖在充氣空芯波導(dǎo)中首先經(jīng)歷孤子自壓縮，實(shí)現(xiàn)第一次色散波輻射。同時由于氣體電離導(dǎo)致藍(lán)移孤子產(chǎn)生，藍(lán)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(dǎo)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(bǔ)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(lán)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(tuán)隊(duì)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(zhǔn)超快電子產(chǎn)生與調(diào)制，紫外光譜測量與發(fā)動機(jī)燃燒診斷等重大應(yīng)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(yīng)用性的前沿交叉研究。當(dāng)前已初步實(shí)現(xiàn)了覆蓋高品質(zhì)空芯光纖設(shè)計(jì)與制備，空芯波導(dǎo)中激光與氣體相互作用機(jī)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(tuán)隊(duì)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(xué)合作），開展紫外飛秒激光裝備與先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)的交叉研究。

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