一种将激光调谐到红外波长的新方法

上图所示，激光光脉冲（蓝色）从左侧进入充满氮气（红色分子）的空心光纤中，沿着传播方向，会使光谱向更长波长的方向展宽，比如会有橙色的输出光束（右）。这一非线性现象是由激光场下气体分子旋转的拉曼效应引起的，如下图所示。

来自加拿大国家科学研究院（INRS）的研究人员发现了一种经济有效的方法，可以将激光的光谱调谐到红外波段，而红外波段是许多激光应用领域的一个非常有趣的波段。研究人员与奥地利和俄罗斯的研究小组合作开发了这项创新，这项发明现已准备申请专利。他们的研究结果最近发表在光学学会（OSA）的旗舰期刊Optica杂志上。

在这一研究领域，如果激光波长位于并可能在红外区域可调谐，许多激光应用都具有决定性的优势。然而，目前的超快激光技术还很难做到这一点，科学家需要探索各种非线性过程来改变发射波长。特别是，光参量放大器（OPA）是目前唯一一个成熟的工具来达到这个红外窗口。虽然OPA系统提供广泛的可调性，但它们很复杂，通常由多个阶段组成，而且相当昂贵。

Luca Razzari教授的团队与Roberto Morandotti教授合作，已经证明了大波长可调性也可以通过一个简单而廉价的系统实现：一个充满氮气的空心（毛细管）光纤。此外，这种方法可以提供比输入激光更短的光脉冲，并且具有较高的空间质量。研究人员还受益于INRS在这一领域的专业知识，因为用于拉伸和固定此类纤维的特殊设备系统，近期才市场化。

不对称光谱展宽

通常，空心光纤中填充一种单原子气体，如氩，以便对称地拓宽激光的光谱，然后将其重新压缩成一个更短的光脉冲。研究小组发现，通过使用氮等分子气体，光谱展宽仍然是可能的，但方式出乎意料。

“光谱并没有对称地传播，而是明显地转向了能量较低的红外波长。这种频率偏移是与气体分子旋转相关的非线性响应的结果，因此，可以通过改变光纤中的气体压力（即分子数量）来轻松控制，”Riccardo Piccoli博士解释说，他领导了Razzari团队的实验。

一旦光束向红外线方向变宽，研究人员会过滤输出光谱，只保留感兴趣的波段。利用这种方法，能量以比输入信号短三倍的脉冲传输到近红外光谱范围（其效率与OPAs相当），而无需任何复杂的装置或附加的脉冲后压缩系统。

国际合作

“为了完成这项研究，INRS的科学家与奥地利和俄罗斯的同事一起完成了这项研究。”Razzari说：“在一次会议上，我们发现了我们两个小组观察到的现象有多么相似，我们汇集了我们的专业知识。”

以Andrius Baltuska教授和Paolo A. Carpeggiani博士为首的维也纳研究小组有一个与INRS互补的战略。他们还使用了一种充氮的空心光纤，但他们没有过滤光谱，而是用能够调节展宽脉冲相位的反射镜及时压缩光谱。“在这种情况下，红外线的整体偏移没有那么极端，但是最后的脉冲要短得多，强度也更高，完全适合阿秒和强场物理应用，”Carpeggiani博士说。

由Aleksei Zheltikov教授领导的莫斯科团队致力于开发一个理论模型来解释这些光学现象。通过将这三种方法结合起来，研究人员能够充分理解复杂的潜在动力学，并且不仅能够使用氮气实现极端红移，而且能够在红外范围内有效地进行脉冲压缩。

国际团队认为，这种方法可以很好地满足激光和强场应用中对长波超快光源日益增长的需求，首先将从基于新兴镱激光技术的较便宜的工业级可调谐系统开始。

来源：https://phys.org/news/2020-10-method-tune-lasers-infrared-wavelengths.html