本文介绍如何利用大孔径空芯光纤中横模之间的非线性相互作用,产生峰值功率为4 GW的少周期可见光波段超短脉冲。
可见光波段的超短脉冲在物理、化学、生物等领域都有广泛的应用前景,尤其在蛋白质和DNA分子的动力学探测、半导体器件的光生电荷等方面发挥着独特的作用。产生这种脉冲主要依赖光参量技术:通过倍频将红外光波长转换至紫外波段,之后利用参量放大将能量转移至可见光波段。这种基于参量过程的技术面临非常多问题,例如复杂的实验装置、色散控制、非线性控制、后续压缩等等,而且总体的光光转化效率也非常低,大概在0.2% - 2%之间。对于这种方案来说,要得到少周期脉冲首先需要大概30fs的泵浦脉冲,这又增加了实验装置的复杂度。
图1 基于空芯光纤模式混合产生可见光波段少周期脉冲
在该报告中,作者提出实现可见光波段少周期脉冲的新方法,即将一个中心波长1030nm、能量1mJ的百飞秒脉冲聚焦进入3米长充氩气的空芯光纤中。空芯光纤的内径是500um,允许激发多个高阶模式,这些高阶模式具有不同的空间分布和群速度,通过复杂的非线性相互作用,最终能够产生可见光波段的脉冲。更重要的是,产生的可见光脉冲不需要压缩,通过滤波器之后就是少周期脉冲,脉冲能量达到20uJ。
图2 模拟空芯光纤输出能量和输出光谱
为了探究可见光信号的产生过程,作者增加入射脉冲能量以研究光谱以及功率在光纤中的演化规律。图2(b)展示了当气压从2.8 bar增加到3.4 bar时,总能量透过率随着入射脉冲能量增加的变化。气压增加到3bar以上时,脉冲能量一旦超过0.8mJ,总能量透过率就会迅速降低,所以后续的实验将气压控制在2.9bar。图2(c)展示了当脉冲能量超过0.8mJ时,泵浦光能量逐渐转移到可见光波段。图2(d)和2(e)记录了不同输入能量时对应的输出光谱,可明显看出,当脉冲能量逐渐增加至超过0.8 mJ之后,可见光波段光谱成分迅速增加。
图3 可见光脉冲形成过程
除了实验,作者还做了模拟,并假定在光纤初始位置有5个模式。图3(a)画出了各个模式的能量占比随光纤长度的演化,蓝色曲线表示基模,其他曲线表示高阶模;可以看出,随着距离的增加,能量逐渐从基模转向高阶模。图3(b)是仅将可见光波段的光谱做傅里叶变换得到对应的时域脉冲。图3(c, d, e)三幅图分别对应5个模式在2.9 m、3 m、3.3 m这三个位置的光谱。在2.9 m的位置,能量集中在低阶模中,在350 nm附近有少量的三倍频信号,对应的时域没有明显的脉冲。在3m的位置,能量逐渐向可见光波段和高阶模中转移,可见光的时域脉冲开始形成。在3.3m的位置,能量被大量转移到更高阶模式和可见光波段中,时域出现脉冲分裂,光谱出现调制。如果将空芯光纤长度设定为3.1 m附近,就能直接输出单个可见光脉冲。
图4 模拟结果和实验结果对比
作者对比了模拟和实验结果,图4(a)中红色阴影为实验光谱,蓝色曲线为模拟光谱。模拟中分别用两个不同位置的滤波器将蓝色曲线表示的光谱滤出,然后做傅里叶变换得到脉冲,宽度分别为5.1 fs和3.5 fs。图4(d)和图4(e)分别是实验测到的spectrogram和自相关曲线,脉冲宽度估计为4.6 fs。
图5 少周期可见光脉冲和红外脉冲的探测装置
在上述实验中,可以得到高能量4.6 fs的可见光脉冲,但是1030nm附近的光谱成分由于过强的非线性无法压缩。通过调节实验,作者发现,可以在可见光波段和泵浦光波段同时获得少周期脉冲,脉冲宽度分别是7.3 fs和10 fs(图5),并且利用这两个脉冲做互相关,再次证实少周期脉冲的产生。
该工作提出了一种产生可见光波段少周期脉冲的新机制,可以从空芯光纤中直接产生20 μJ、4.6 fs的超短脉冲。这种新方案不影响红外波段的脉冲压缩,可以同时产生红外和可见光波段的少周期脉冲,对于研究光伏和纳米电子学中具有重要意义。
参考文献
[1] Piccoli, R., Brown, J.M., Jeong, YG. et al. Intense few-cycle visible pulses directly generated via nonlinear fibre mode mixing. Nat. Photon. 15, 884–889 (2021).
[2] R. Piccoli, et al., "4-GW Few-Cycle Visible Pulse Generation via Fiber Mode Mixing," in Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2022), paper FTh2A.6