导读:近红外激光脉冲的一部分用作泵浦脉冲,另一部分采用非线性波长转换产生波长可调的信号脉冲,泵浦脉冲和信号脉冲之间的DFG产生可调谐的中红外脉冲。
波长调谐范围覆盖6-20μm的高重复频率(>10 MHz)、高平均功率(>10 mW)飞秒激光源具有重要的应用,由于大量分子在这个波段具有振动跃迁,因此有望用于痕量气体检测以及对由气体、液体或固体组成的复合系统进行与物理、化学或生物学相关的非侵入性诊断。但由于增益介质的缺乏,这些中红外源通常利用高功率近红外飞秒激光器驱动光学差频产生(DFG)来实现:近红外激光脉冲的一部分用作泵浦脉冲,另一部分采用非线性波长转换产生波长可调的信号脉冲,泵浦脉冲和信号脉冲之间的DFG产生可调谐的中红外脉冲。利用传统非线性光学手段产生的信号光脉冲能量较低,限制了中红外光源的功率,导致长波中红外飞秒光源无法广泛应用。
针对该难点,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心L07组在长期开展基于超快激光脉冲产生及波长转换的基础上,利用自相位调制的光谱旁瓣滤波(SPM-enabled spectral selection,SESS)技术,基于高功率掺铒光纤激光器在高非线性光纤中得到了波长范围覆盖1.6-1.94μm、功率高达300mW(~10nJ)的信号脉冲,再与1.55μm的泵浦脉冲在GaSe晶体中差频得到了波长覆盖7.7-17.3μm的中红外激光脉冲,最大平均功率可达58.3mW。
图1. 实验装置图
实验装置如图1所示,前端为自制的高功率掺铒光纤激光器系统,重复频率为32MHz,经过啁啾脉冲放大后得到平均功率为4W、脉冲能量为125nJ、宽度为 290fs的脉冲。将激光脉冲分成两份,一份作为泵浦脉冲,另一份耦合到SESS光纤中进行光谱展宽。光纤输出处的展宽光谱由二向色镜分离,长通滤波器(图中的LPF1)将最右边的光谱旁瓣过滤出来作为信号脉冲。泵浦脉冲经过时间延迟线与信号脉冲在时间上重合后聚焦到GaSe晶体上,光斑大小约为50μm。再通过另一个截止波长为4.5μm的长通滤波器,生成的中红外光束经焦距为75mm的90°离轴抛物面镜准直。利用校准的热敏功率计测量中红外脉冲的平均功率,傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪来测量输出光谱。图2(a)为1mm-GaSe后输出光谱和功率,光谱范围为7.7-17.3μm,最大平均功率为30.4 mW。为了进一步提高输出功率,我们采用2mm厚的GaSe晶体,结果如图2(b)所示,整个光谱调谐范围内脉冲功率均大于10mW,最大平均功率达58.3mW。
相比于以往基于掺镱光纤的中红外光源,本研究成果将DFG平均功率提高了一个数量级,并首次实验上观测到了工作在光参量放大机制下的高重频DFG过程。该高功率长波中红外光源基于结构紧凑的光纤激光器,可以用于实现中红外双光梳,从而推动中红外光梳在精密光谱学中的前沿应用。相关结果发表在最近的Optics Letters上(https://doi.org/10.1364/OL.482461),被选为Editor's Pick并成为当天下载量最多的5篇论文之一。
图2. 在不同厚度GaSe后测量到的中红外光谱和功率:(a) 1mm-GaSe(b)2mm-GaSe。
该工作得到了国家自然科学基金(批准号:No.62227822和62175255)、中国科学院国际交流项目(批准号:No. GJHZ1826)和国家重点研发计划(批准号:No. 2021YFB3602602)的支持。论文第一作者为物理所博士生刘洋,常国庆特聘研究员为通讯作者,赵继民、魏志义研究员也参与了该工作的设计和讨论。
来源于:中国科学院物理研究所
热门评论
最新资讯
新闻专题
更多推荐