近期，中國科學院上海光學精密機械研究所先進激光與光電功能材料部龐盟研究員團隊與羅素先進光波科學中心團隊合作，在基于空芯光子晶體光纖的2.8μm波段中紅外超快脈沖的柔性傳輸研究取得進展。相關研究成果以“Flexible delivery of broadband, 100 fs mid-infrared pulses in the water-absorption band using hollow-core photonic crystal fiber”為題發表于Optica。
 

　　高功率中紅外超快寬譜光源在先進光譜學、材料精密加工、醫療手術及遙感等領域具有重要應用。然而，受限于激光傳輸手段的不足，中紅外激光技術的進一步發展受到嚴重制約。在傳統傳輸方案中，空間光路中氣體分子的強吸收會引起輸出光斑畸變并降低脈沖質量；而實芯中紅外光纖在傳輸過程中容易發生嚴重的非線性積累，導致輸出的時頻域信號嚴重畸變。
 

　　為克服上述限制，實驗團隊以中紅外脈沖光纖激光器為光源，采用長度為 5 m 的空芯光子晶體光纖作為傳輸通道，搭建了超快中紅外脈沖傳輸系統。該空芯光子晶體光纖的兩端固定于氣室內，并可通過真空泵對其進行抽真空處理。實驗結果表明，在抽真空條件下，系統實現了激光整體傳輸效率超過 70% 和近衍射極限的高斯光束輸出。通過材料色散補償，最終獲得了脈寬 98 fs(變換極限脈寬 96 fs)、峰值功率達 170 kW、基模能量占比超過 95% 的高質量超快脈沖輸出。此外，實驗人員還將該傳輸方案與同等長度的空間光路及實芯氟化物光纖進行了對比實驗，驗證了空芯光子晶體光纖在高峰值功率中紅外超快脈沖傳輸中的獨特優勢。該實驗實現了高效率、高保真度且高單模純度的中紅外激光柔性傳輸，為寬帶中紅外超快光源在光譜學、紅外對抗及遙感等領域的應用奠定了良好基礎。
 

　　相關工作得到了中國科學院先導專項、上海市科技創新行動計劃、上海市科技計劃項目支持。
 

　　圖1 (a) 實驗光路，Lens，鍍膜的CaF2平凸透鏡；HWP，半波片；QWP，四分之一波片；FM，扳倒鏡；FTIR，傅里葉變換紅外光譜儀；AC，自相關儀，(b) 光纖結構的掃描電鏡圖，(c)使用截斷法測量的損耗譜，陰影區域表示測量不確定性(橙色，左側軸)，計算的色散曲線(藍色，右側軸)，(d) 經5米長空芯光子晶體光纖的輸出功率，(e)使用30 mm的ZnSe和5 mm的Ge材料，實現了近變換極限脈寬98 fs的脈沖輸出。

 

　　圖2 (a) 水汽的歸一化吸收光譜，(b) 激光直接輸出(灰色)和在空間光路的傳輸譜(紫色)、空芯光子晶體光纖在空氣中的傳輸譜(綠色)以及空芯光子晶體光纖在真空中的傳輸譜(紅色)，右邊顯示在2.7-2.8 μm范圍內的放大光譜，(c) 實芯氟化物光纖中的拉曼孤子產生。左邊為FTIR光譜，右邊為自相關跡。