短波紅外的毫焦少周期激光源可以以更高效率驅動雙色等離子體(ti) 產(chan) 生太赫茲(zi) 脈衝(chong) ，也可在非氧化物晶體(ti) 中通過光學差頻產(chan) 生 >5μm的中紅外飛秒脈衝(chong) 。摻銩光纖激光係統可以產(chan) 生中心波長在2μm附近的百飛秒脈衝(chong) ，德國耶拿Limpert課題組在2022年將四根摻銩光纖放大器的輸出進行相幹合成[1]，最終獲得了脈衝(chong) 能量為(wei) 1.65mJ、重複頻率為(wei) 100kHz的85fs脈衝(chong) ，突破了單根光纖對單脈衝(chong) 能量及平均功率的限製，裝置如圖1所示。

圖1 四根摻銩光纖相幹合成裝置示意圖[1]

為(wei) 了進一步縮短脈衝(chong) 寬度，Limpert課題組在2023年以上述裝置為(wei) 前端，利用空芯光纖進行壓縮[2]。壓縮裝置結構如圖2所示，包括兩(liang) 個(ge) 分別用於(yu) 輸入和輸出的真空室以及一個(ge) 用於(yu) 非線性展寬的高壓室，高壓室內(nei) 充滿氬氣。為(wei) 了減少水蒸氣吸收，兩(liang) 個(ge) 真空室內(nei) 的氣壓均保持<1mabr。高壓室底側(ce) 裝有水冷進行散熱，避免了高功率下的有害熱效應。空芯光纖放置在長直線的V形槽上，避免彎曲帶來的損耗。空芯光纖纖芯直徑為(wei) 500μm，長度為(wei) 1.05m，內(nei) 部非線性氣體(ti) 選擇為(wei) 氬氣，理論最高通過效率為(wei) 89.5%。

圖2 空芯光纖壓縮裝置示意圖 [2]

逐漸增加腔內(nei) 的氣體(ti) 氣壓，所對應的輸出結果如圖3所示。當氣壓低於(yu) 3bar時，輸出功率在139W左右，且光束質量保持良好（圖3a）。當氣壓高於(yu) 3bar時，輸出功率開始下降，且光束質量出現明顯劣化，光斑在4.25bar氣壓時已明顯偏離高斯光束, 如圖3b所示。圖3c分析了不同氣壓下輸出的光譜寬度，當氣壓超過3bar之後，光譜隨氣壓增加不再明顯展寬，對應的變換極限脈衝(chong) 也基本維持不變。作者綜合考慮上述因素，最終選擇3bar氣壓進行後續實驗。

圖3 空芯光纖內(nei) 不同氣壓輸出結果[2]

在3bar氣壓下測量的光譜和自相關(guan) 曲線如圖4所示，光譜覆蓋1.2μm-2.4μm，使用一對啁啾鏡補償(chang) 色散後，脈衝(chong) 寬度降為(wei) 10.2fs，平均功率為(wei) 132W，脈衝(chong) 主峰能量占比為(wei) 66%，峰值功率高達80GW。圖5展示了穩定性測試結果，前端輸出相對強度噪聲為(wei) 0.75%，集中在20 Hz到50 kHz的頻率範圍內(nei) 。在非線性脈衝(chong) 壓縮後，主要的噪聲貢獻在低至2kHz的低頻範圍內(nei) ，這些噪聲來自水冷和真空泵的機械振動，證明了壓縮過程沒有額外噪聲的引入，保證了光源的穩定性。

圖4 3bar氣壓下光譜及自相關(guan) 測量結果[2]

圖5 短期穩定性測試[2]

本文采用空芯光纖壓縮，獲得了中心波長為(wei) 1.9 μm、寬度為(wei) 10.2fs的高能量飛秒脈衝(chong) ，脈衝(chong) 寬度小於(yu) 兩(liang) 個(ge) 周期，脈衝(chong) 能量為(wei) 1.3 mJ，峰值功率為(wei) 80GW。該光源的平均功率為(wei) 132W，為(wei) 工作在短波紅外區的少周期脈衝(chong) 的最高功率水平，該高能量、高功率的驅動光源必將大力推動中紅外波段激光技術的發展。

參考文獻：

[1] Tobias Heuermann, Ziyao Wang, Mathias Lenski, Martin Gebhardt, Christian Gaida, Mahmoud Abdelaal, Joachim Buldt, Michael Müller, Arno Klenke, and Jens Limpert, "Ultrafast Tm-doped fiber laser system delivering 1.65-mJ, sub-100-fs pulses at a 100-kHz repetition rate," Opt. Lett. 47, 3095-3098 (2022)

[2] Ziyao Wang, Tobias Heuermann, Martin Gebhardt, Mathias Lenski, Philipp Gierschke, Robert Klas, Jan Rothhardt, Cesar Jauregui, and Jens Limpert, "Nonlinear pulse compression to sub-two-cycle, 1.3 mJ pulses at 1.9 μm wavelength with 132 W average power," Opt. Lett. 48, 2647-2650 (2023)