超强激光科学卓越创新简报

(第五百六十四期)

2024年10月21日

上海光机所在基于空芯光纤的超快脉冲压缩与紫外飞秒激光产生研究中取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与罗素先进光波科学中心团队在基于空芯光纤的气体非线性光学研究中取得进展。相关研究成果以“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”为题分别发表于Nature Communications和Laser & Photonics Reviews。

空芯光纤具有高损伤阈值、宽带传输窗口、色散和非线性可调控等优点，为超快激光与气体介质的非线性相互作用研究提供了理想平台。基于此平台的少周期脉冲压缩、孤子-等离子体相互作用、超连续谱产生以及紫外飞秒激光产生技术，在超快电子产生与调控、超快光谱学研究、燃烧诊断动力学探测等方面具有重大应用潜力。

研究团队自2019年以来深入开展了空芯光纤非线性光学研究。搭建了先进水平的可调谐超快激光产生与测量系统，填补了国内在该方向上的空白。近年来，团队在孤子-等离子体相互作用[Optics Letters 44, 1805 (2019), Optics Letters 44, 5562 (2019)]、色散波辐射[Optics Express 28, 17076 (2020), Optics Letters 18, 4830 (2022)]、超快脉冲时域及时空域测量[Optics Letters 45, 5081 (2020), Laser & Photonics Reviews 17, 2200697 (2023)]等方向取得一系列创新研究成果。

近期，研究团队揭示了空芯毛细管光纤中一种新颖的孤子动力学机制：高阶孤子分裂引起的高强度次级脉冲调制效应。利用该效应实现了微焦量级、高相干度、紫外宽光谱脉冲的产生，所产生的紫外光谱覆盖一个倍频程（200-400 nm）。在时域上，该技术支持傅里叶变换极限脉宽约1 fs的近单周期紫外脉冲，且所产生紫外脉冲的中心波长可通过控制入射脉冲能量和空芯波导中的气压进行宽谱调谐。相关成果发表于Nature Communications (2024) 期刊上。

图1 (a) 宽带紫外色散波辐射机理，(b) 窄带色散波辐射，(c) 倍频程宽度的色散波辐射，(d) 不同波长下的光斑轮廓

近期，研究团队也开展了空芯反谐振光纤中多峰结构谐振色散波的辐射机理研究。研究结果表明谐振色散波的多峰结构是由孤子自压缩、孤子-等离子体相互作用以及相位匹配色散波辐射三种效应之间的精妙耦合导致。泵浦脉冲在充气空芯波导中首先经历孤子自压缩，实现第一次色散波辐射。同时由于气体电离导致蓝移孤子产生，蓝移孤子逐渐靠近空芯反谐振光纤的谐振带时，再次经历孤子自压缩，从而触发第二次色散波辐射。由于两次色散波辐射的相位匹配条件不同，导致谐振色散波光谱上呈现多峰结构，而时域上出现多个波包。该多峰谐振色散波通过相位补偿后能被压缩成超短激光脉冲。相关成果发表于Laser & Photonics Reviews (2024) 期刊上。

图2 (a) 脉冲在空芯光纤中的时域演化，(b) 光纤中不同位置处的脉冲峰值功率（蓝色）、最大等离子体密度（紫色）以及中心频率（橙色），(c)和(d) 脉冲在空芯光纤中的光谱演化

研究团队长期聚焦紫外飞秒激光的产生、调控与诊断这一超快激光领域的国际最前沿，瞄准超快电子产生与调制，紫外光谱测量与发动机燃烧诊断等重大应用对于高通量、可调谐、飞秒时间尺度紫外激光的迫切需求，开展具有前瞻性、探索性与应用性的前沿交叉研究。当前已初步实现了覆盖高品质空芯光纤设计与制备，空芯波导中激光与气体相互作用机理研究，紫外飞秒激光产生、调谐与测量技术的基础科研能力。目前，团队正面向加速器物理（与上海光源等合作）与紫外超快光谱与燃烧诊断技术（与吉林大学合作），开展紫外飞秒激光装备与先进应用技术的交叉研究。

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