通過(guò)色散波產(chǎn)生獲得深紫外飛秒脈沖
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深紫外超短脈沖的產(chǎn)生是許多物理領(lǐng)域所需的關(guān)鍵技術(shù)。而一般基于諧波產(chǎn)生的深紫外光源存在著不能直接調(diào)諧波長(zhǎng)，能量轉(zhuǎn)化效率較低，只能產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)脈沖源相似脈寬的脈沖等局限性。為此，該文章提出了一種基于色散波產(chǎn)生的深紫外超短脈沖產(chǎn)生方法。其通過(guò)調(diào)節(jié)空心光子晶體光纖中的氣壓及氣壓梯度來(lái)調(diào)節(jié)色散波產(chǎn)生的相位匹配條件，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧，窄脈寬且接近變換極限的深紫外脈沖，并利用數(shù)值模擬完成了其中的理論詮釋。實(shí)驗(yàn)裝置分為三部分：(a)預(yù)壓縮部分(b)深紫外產(chǎn)生部分(c)脈沖表征部分如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置 [1]
圖1中種子源為鈦寶石激光器，BS為分束器，BPF為帶通濾波器，獲得窄帶近紅外窗脈沖，CM為啁啾鏡，HWP為半波片，TFP為薄膜偏振片，PCF使用抗諧振kagome PCF，長(zhǎng)7.5 cm，芯徑33 μm，填充氬氣，BBO為偏硼酸鋇晶體。
(a) 預(yù)壓縮部分的主體由長(zhǎng)度1 m氣壓0-250 mbar的空心光纖，一對(duì)啁啾鏡組成的壓縮器，和一對(duì)薄膜偏振器組成的衰減器構(gòu)成。該部分對(duì)中心波長(zhǎng)790 nm，脈寬30 fs的輸入脈沖光譜展寬并壓縮至13.5 fs，獲得深紫外產(chǎn)生部分所需的驅(qū)動(dòng)脈沖和脈沖表征部分所需的參考脈沖。該壓縮部分不是必需的，但可以?xún)?yōu)化深紫外產(chǎn)生部分孤子自壓縮的質(zhì)量，以減少最終色散波光譜中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
(b) 深紫外產(chǎn)生部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，從預(yù)壓縮部分輸出的脈沖在經(jīng)過(guò)空間濾波后，被聚焦耦合到抗諧振的Kagome光纖中，以經(jīng)歷高階孤子自壓縮和色散波產(chǎn)生的過(guò)程。Kagome光纖的一端為可調(diào)氣壓的氣室，而另一端為真空室，由此來(lái)形成所需的負(fù)向氣壓梯度。
(c) 脈沖表征部分則用于測(cè)量輸出脈沖的能量，脈寬等信息，揭示了該方法能以3 %的效率獲得窄于4 fs且接近變換極限的脈沖。因?yàn)锽BO在短于190 nm的波段不透明，故此部分由DFG XFROG實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用了rPIE法。該方法不需要參考脈沖的相位信息，且可以測(cè)量短于參考脈沖的脈沖。分別將氣室氣壓調(diào)節(jié)至6 bar，7.5 bar和12.5 bar，可分別獲得中心波長(zhǎng)為225 nm，250 nm，300 nm，脈沖寬度在3 fs作用在深紫外超短脈沖，如圖2所示。
圖2 調(diào)節(jié)氣壓獲得的深紫外脈沖 [2]
圖2中黑線代表DFG XFROG法經(jīng)rPIE處理后的光譜和時(shí)域脈沖，紫線代表不同波長(zhǎng)處的相位，紅色虛線代表直接測(cè)量得到的紫外脈沖光譜。由圖可見(jiàn)XFROG法與直接測(cè)量所得光譜較為一致，250 nm和300 nm的紫外脈沖相位分布平緩，脈沖接近變換極限，225 nm的紫外脈沖有較多的長(zhǎng)波長(zhǎng)成分，且延遲較高。在理論部分，文章通過(guò)模擬脈沖在具有一定氣壓梯度的Kagome光纖中的演化過(guò)程，揭示了窄脈寬，變換極限色散波產(chǎn)生的兩點(diǎn)主要原因：
圖3 225nm紫外產(chǎn)生的理論模擬 [3]
圖3是在PCF氣室端施加6 bar氣壓所獲得的的模擬結(jié)果，輸入脈沖能量1.15 μJ，PCF長(zhǎng)7.5 cm，芯徑33 μm，填充氬氣。圖2(a)是輸出色散波的光譜（黑線）和相位（紫線），圖2(b)是脈沖沿PCF傳輸在頻域上的模擬結(jié)果，綠線為零色散波長(zhǎng)，圖2(c)是時(shí)域上的模擬結(jié)果，小圖為帶通濾波器濾波后的紫外脈沖，綠線為脈沖中心。
一方面，氣壓的變化直接導(dǎo)致了Kagome 光纖色散零點(diǎn)的變化，改變了色散波產(chǎn)生的相位匹配條件。隨著脈沖在光纖中傳輸，氣壓逐漸降低，對(duì)應(yīng)相位匹配的色散波波長(zhǎng)也逐漸變短。因此，形成了很寬的色散波光譜，為極小的變換極限的脈寬提供了前提。
另一方面，氣壓的降低，使深紫外區(qū)域的色散越來(lái)越小，在光纖后半部分產(chǎn)生的色散波不會(huì)因?yàn)檩^大的色散被迅速展寬，由此保持了接近變換極限的脈寬。
簡(jiǎn)而言之，該文章，利用氣壓漸變，色散零點(diǎn)漸變的空心光子晶體光纖，實(shí)現(xiàn)了數(shù)飛秒脈寬，接近變換的極限的色散波產(chǎn)生。發(fā)明了一種強(qiáng)大的可調(diào)諧深紫外光源，使人們能以前所未有的光譜范圍和時(shí)間分辨率進(jìn)行超快速測(cè)量。
參考文獻(xiàn)：
[1] Christian Brahms, Dane R. Austin, Francesco Tani, at el. Direct characterization of tuneable few-femtosecond dispersive-wave pulses in the deep UV. Optics Letters, 2019, 44(4):731~734.
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