波長調諧范圍覆蓋6-20μm的高重復頻率（>10MHz）、高平均功率（>10mW）飛秒激光源具有重要的應用，由于大量分子在這個波段具有振動躍遷，因此有望用于痕量氣體檢測以及對由氣體、液體或固體組成的復合系統進行與物理、化學或生物學相關的非侵入性診斷。

但由于增益介質的缺乏，這些中紅外源通常利用高功率近紅外飛秒激光器驅動光學差頻產生（DFG）來實現：近紅外激光脈沖的一部分用作泵浦脈沖，另一部分采用非線性波長轉換產生波長可調的信號脈沖，泵浦脈沖和信號脈沖之間的DFG產生可調諧的中紅外脈沖。利用傳統非線性光學手段產生的信號光脈沖能量較低，限制了中紅外光源的功率，導致長波中紅外飛秒光源無法廣泛應用。

針對該難點，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心L07組在長期開展基于超快激光脈沖產生及波長轉換的基礎上，利用自相位調制的光譜旁瓣濾波（SPM-enabled spectral selection，SESS）技術，基于高功率摻鉺光纖激光器在高非線性光纖中得到了波長范圍覆蓋1.6-1.94μm、功率高達300mW（~10nJ）的信號脈沖，再與1.55μm的泵浦脈沖在GaSe晶體中差頻得到了波長覆蓋7.7-17.3μm的中紅外激光脈沖，最大平均功率可達58.3mW。



圖1 實驗裝置圖

實驗裝置如圖1所示，前端為自制的高功率摻鉺光纖激光器系統，重復頻率為32MHz，經過啁啾脈沖放大后得到平均功率為4W、脈沖能量為125nJ、寬度為 290fs的脈沖。將激光脈沖分成兩份，一份作為泵浦脈沖，另一份耦合到SESS光纖中進行光譜展寬。光纖輸出處的展寬光譜由二向色鏡分離，長通濾波器（圖中的LPF1）將最右邊的光譜旁瓣過濾出來作為信號脈沖。

泵浦脈沖經過時間延遲線與信號脈沖在時間上重合后聚焦到GaSe晶體上，光斑大小約為50μm。再通過另一個截止波長為4.5μm的長通濾波器，生成的中紅外光束經焦距為75mm的90°離軸拋物面鏡準直。利用校準的熱敏功率計測量中紅外脈沖的平均功率，傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀來測量輸出光譜。

圖2（a）為1mm-GaSe后輸出光譜和功率，光譜范圍為7.7-17.3μm，最大平均功率為30.4 mW。為了進一步提高輸出功率，我們采用2mm厚的GaSe晶體，結果如圖2（b）所示，整個光譜調諧范圍內脈沖功率均大于10mW，最大平均功率達58.3mW。

相比于以往基于摻鐿光纖的中紅外光源，本研究成果將DFG平均功率提高了一個數量級，并首次實驗上觀測到了工作在光參量放大機制下的高重頻DFG過程。

該高功率長波中紅外光源基于結構緊湊的光纖激光器，可以用于實現中紅外雙光梳，從而推動中紅外光梳在精密光譜學中的前沿應用。相關結果發表在最近的Optics Letters上，被選為Editor's Pick并成為當天下載量最多的5篇論文之一。



圖2 在不同厚度GaSe后測量到的中紅外光譜和功率:（a） 1mm-GaSe（b）2mm-GaSe。






審核編輯：劉清