來自加拿大國家科學研究院（INRS）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種經(jīng)濟有效的方法，可以將激光的光譜調(diào)諧到紅外波段，而紅外波段是許多激光應用領(lǐng)域的一個非常有趣的波段。研究人員與奧地利和俄羅斯的研究小組合作開發(fā)了這項創(chuàng)新，這項發(fā)明現(xiàn)已準備申請專利。他們的研究結(jié)果最近發(fā)表在光學學會（OSA）的旗艦期刊Optica雜志上。

在這一研究領(lǐng)域，如果激光波長位于并可能在紅外區(qū)域可調(diào)諧，許多激光應用都具有決定性的優(yōu)勢。然而，目前的超快激光技術(shù)還很難做到這一點，科學家需要探索各種非線性過程來改變發(fā)射波長。特別是，光參量放大器（OPA）是目前唯一一個成熟的工具來達到這個紅外窗口。雖然OPA系統(tǒng)提供廣泛的可調(diào)性，但它們很復雜，通常由多個階段組成，而且相當昂貴。

Luca Razzari教授的團隊與Roberto Morandotti教授合作，已經(jīng)證明了大波長可調(diào)性也可以通過一個簡單而廉價的系統(tǒng)實現(xiàn)：一個充滿氮氣的空心（毛細管）光纖。此外，這種方法可以提供比輸入激光更短的光脈沖，并且具有較高的空間質(zhì)量。研究人員還受益于INRS在這一領(lǐng)域的專業(yè)知識，因為用于拉伸和固定此類纖維的特殊設備系統(tǒng)，近期才市場化。

激光光脈沖（藍色）從左側(cè)進入充滿氮氣（紅色分子）的空心光纖中，沿著傳播方向，會使光譜向更長波長的方向展寬，比如會有橙色的輸出光束（右）。這一非線性現(xiàn)象是由激光場下氣體分子旋轉(zhuǎn)的拉曼效應引起的。

不對稱光譜展寬

通常，空心光纖中填充一種單原子氣體，如氬，以便對稱地拓寬激光的光譜，然后將其重新壓縮成一個更短的光脈沖。研究小組發(fā)現(xiàn)，通過使用氮等分子氣體，光譜展寬仍然是可能的，但方式出乎意料。

“光譜并沒有對稱地傳播，而是明顯地轉(zhuǎn)向了能量較低的紅外波長。這種頻率偏移是與氣體分子旋轉(zhuǎn)相關(guān)的非線性響應的結(jié)果，因此，可以通過改變光纖中的氣體壓力（即分子數(shù)量）來輕松控制，”Riccardo Piccoli博士解釋說，他領(lǐng)導了Razzari團隊的實驗。

一旦光束向紅外線方向變寬，研究人員會過濾輸出光譜，只保留感興趣的波段。利用這種方法，能量以比輸入信號短三倍的脈沖傳輸?shù)浇�紅外光譜范圍（其效率與OPAs相當），而無需任何復雜的裝置或附加的脈沖后壓縮系統(tǒng)。

國際合作

“為了完成這項研究，INRS的科學家與奧地利和俄羅斯的同事一起完成了這項研究�！盧azzari說：“在一次會議上，我們發(fā)現(xiàn)了我們兩個小組觀察到的現(xiàn)象有多么相似，我們匯集了我們的專業(yè)知識�！�

以Andrius Baltuska教授和Paolo A. Carpeggiani博士為首的維也納研究小組有一個與INRS互補的戰(zhàn)略。他們還使用了一種充氮的空心光纖，但他們沒有過濾光譜，而是用能夠調(diào)節(jié)展寬脈沖相位的反射鏡及時壓縮光譜�！霸谶@種情況下，紅外線的整體偏移沒有那么極端，但是最后的脈沖要短得多，強度也更高，完全適合阿秒和強場物理應用，”Carpeggiani博士說。

由Aleksei Zheltikov教授領(lǐng)導的莫斯科團隊致力于開發(fā)一個理論模型來解釋這些光學現(xiàn)象。通過將這三種方法結(jié)合起來，研究人員能夠充分理解復雜的潛在動力學，并且不僅能夠使用氮氣實現(xiàn)極端紅移，而且能夠在紅外范圍內(nèi)有效地進行脈沖壓縮。

國際團隊認為，這種方法可以很好地滿足激光和強場應用中對長波超快光源日益增長的需求，首先將從基于新興鐿激光技術(shù)的較便宜的工業(yè)級可調(diào)諧系統(tǒng)開始。

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