超快光纤激光技术之二十四 基于单周期全光纤超快激光的中红外频率梳

载波包络相位固定的单周期脉冲可用于亚周期时间尺度的光与物质相互作用、低噪声多倍频程频率梳产生等领域的研究和操控。但是，现有的单周期激光光源存在搭建和操作上的困难，限制了应用范围。本期文章介绍一种全光纤结构的单周期脉冲激光源：通过在掺Tm光纤中放大2µm种子脉冲，然后进行级联自压缩，以产生峰值功率为215 kW、平均功率为374 mW的6．8 fs脉冲［1］。

单周期全光纤激光器的布局如图1所示，1．56µm、100 MHz重复率锁模激光器（MLL）在后向泵浦的保偏掺铒光纤（EDF）中从20 mW放大到190 mW。经过自压缩后，当进入保偏高度非线性光纤（HNLF1）时的脉冲宽度减小到35 fs左右，并在HNLF1中通过孤子自频移（SSFS）产生的波长在1．93µm附近的飞秒脉冲。该脉冲经1米长的PM2000D光纤展宽后，平均功率约为20 mW，再由一小段双包层掺Tm光纤进行放大。

图1． 全光纤单周期飞秒脉冲产生实验装置［1］。

脉冲经过放大之后，通过两个级联自压缩达到单周期，第一阶段58cm PM1550光纤补偿高阶非线性光纤中的正色散，将脉冲压缩至约50 fs的宽度。在第二阶段，脉冲经过椭圆芯HNLF2（OFS光纤）实现高阶孤子自压缩，HNLF2之后的总输出功率为374 mW，实验测得脉冲宽度为6．8fs，对应于1．05个光学周期。图2中展示了用可见光、近红外和MIR波段的三个光谱仪记录压缩后的输出光谱以及光谱仪的白噪声。

图2． 实验光谱（实线）与模拟光谱（虚线）［1］．

在获得单周期脉冲之后，作者利用脉冲内差频产生了中红外频率梳，所用晶体为取向图案化（OP）－GaAs和CdSiP2（CSP）晶体。装置如图3所示：在离轴抛物面1之后，准直光束通过5 mm的MgF2，用于调节色散获得更高的差频效率。CSP具有良好的MIR传输、高损伤阈值、良好的热导率、宽禁带、降低2μm泵浦损耗和高非线性等优点，并且在MIR窗口中具有相对平坦的折射率，有利于产生宽带MIR光谱。（OP）－GaAs则允许MIR的波长超过15µm，并实现准相位匹配。

图3． 中红外频率梳产生和电光采样实验装置［1］．

实验中，作者利用电光采样来检测装置产生的中红外脉冲，图4a和图4b分别是CSP晶体产生的中红外脉冲场和傅里叶变换之后的光谱；图4c和图4d则是利用（OP）－GaAs产生的实验结果。使用CSP晶体，作者产生了载波包络相位稳定的脉冲，平均功率为860µW，脉冲宽度为63 fs，中心波长为8．5µm。利用（OP）－GaAs产生的光谱中心为9．5至11µm，功率为270µW。

图4．（a） 利用CSP产生的MIR脉冲和（b）光谱。（c）利用（OP）－GaAs产生的MIR脉冲和（d）光谱［1］．

总之，作者利用全光纤结构产生了中心波长在1．93µm的单周期脉冲，这种单周期光纤激光器和以及由其驱动的MIR装置能够在无需维护的情况下长时间运行，激光输出功率、光谱、脉冲宽度保持稳定，具有广阔的应用前景。

参考文献：

［1］ Sida Xing，Daniel M．B． Lesko， Takeshi Umeki， Alexander J． Lind， Nazanin Hoghooghi， Tsung－Han Wu1，2， and Scott A． Diddams ＂Single－cycle all－fiber frequency comb＂ APL Photon． 6， 086110 （2021）

关键词： 脉冲宽度 平均功率 输出功率