超快科学需要稳定的高能少周期光脉冲。要在时域上获得足够短的脉冲,就要求其光谱足够宽。高能量少周期脉冲一般通过脉冲压缩的办法产生,有两种常用途径:(1)对入射脉冲进行光谱展宽后利用色散器件进行时域压缩;(2)脉冲自压缩。

利用脉冲在均匀非线性介质中的自由传播可以实现光谱展宽,主要包括多薄片展宽(如图1所示)和多通腔展宽两种方法。

图1 玻璃薄片进行光谱展宽

多通腔基本结构如图2所示,在多通腔内部可以通过光学反射多次通过焦点,焦点附近光强较大发生非线性相互作用,从而进行光谱展宽。

图2 多通腔进行光谱展宽

利用波导也可进行光谱展宽,且在波导内可以具有较大的B积分,因此有更宽的光谱展宽。此外在波导内形成本征模,因此光束剖面上会有相同的光谱和时间特性,本征模的聚焦也获得更高的强度。但在波导内不同的模有不同的传播速度,因此需要对波导内的模式进行控制,尽可能保证单模传播。

光子晶体光纤(PCF,基本结构如图3所示)通过光子带隙效应或波导包层的周期结构产生的其他新机制来实现基模传输,从而形成比标准单模硅光纤大得多的单模波导,使得脉冲能量大幅度提高。目前,单模中空纤芯的光子晶体光纤(HC-PCF)的纤芯尺寸可以达到几十μm,最高可达到100 μm,将其用于光谱展宽可以获得单脉冲能量几个μJ、平均功率100W的短脉冲。

图3  光子晶体光纤结构

空心光纤(HCF)在内部采用气体介质,与硅基纤芯相比它的非线性降低了近千倍,同时拥有更大的模场面积,可以获得能量在毫焦量级的飞秒脉冲。但由于HCF对弯曲敏感,必须将其放在直线导轨上(如图4a所示),制作工艺限制使得HCF长度在最长在1m左右,这阻碍了脉冲能量的进一步提高,可拉伸空心光纤(SF-HCF,如图4b所示)的出现解决了这一问题。

图4  两种不同空心光纤

除了光谱展宽后利用色散器件进行时域压缩外,还可利用非线性传播中的脉冲自压缩现象获得高能量少周期脉冲。自压缩虽然实验装置相对简单,但脉冲能量较低,目前只有在中红外光谱范围内产生了mJ量级的少周期脉冲。

不同压缩方式有不同的特点,图5展示了不同压缩技术下的平均能量和峰值功率,图6展示了不同压缩技术下的脉宽和单脉冲能量。比较不同压缩技术可知,多通腔技术压缩获得的脉冲的脉宽较宽但其脉冲能量和峰值功率较大,光子晶体光纤压缩技术其脉冲能量和峰值功率最小,只能达到20μJ和1～2GW。空心光纤技术兼顾能量与脉宽,因此其峰值功率最大可达太瓦量级,是目前唯一可以达到mJ量级、脉宽3周期以下后置脉冲压缩技术。不同技术其压缩比也有较大差异,对于单次压缩,多通腔和可拉伸空心光纤压缩效果较好,压缩因子可达30以上。对于级联压缩,多通腔压缩因子最大可达92．3。

为了获得更短脉冲、更高能量,多种后置压缩技术的融合将成为一种趋势。

图5 不同压缩技术下的平均能量和峰值功率

图6  不同压缩技术下的脉宽和单脉冲能量

参考文献:

[1] Nagy, Tamas, Peter Simon, and Laszlo Veisz． "High-energy few-cycle pulses: post-compression techniques．" Advances in Physics: X 6．1 (2021): 1845795．