Author Affiliations
Abstract
1 SwissFEL, Paul Scherrer Institute, Villigen PSI, Switzerland
2 Photonics Institute, Technische Universität Wien, Vienna, Austria
3 Institute of Applied Physics, University of Bern, Bern, Switzerland
4 Institute for Quantum Electronics, Physics Department, ETH Zurich, Zurich, Switzerland
We demonstrate the generation, spectral broadening and post-compression of second harmonic pulses using a thin beta barium borate (BBO) crystal on a fused-silica substrate as the nonlinear interaction medium. By combining second harmonic generation in the BBO crystal with self-phase modulation in the fused-silica substrate, we efficiently generate millijoule-level broadband violet pulses from a single optical component. The second harmonic spectrum covers a range from long wave ultraviolet (down to 310 nm) to visible (up to 550 nm) with a bandwidth of 65 nm. Subsequently, we compress the second harmonic beam to a duration of 4.8 fs with a pulse energy of 0.64 mJ (5 fs with a pulse energy of 1.05 mJ) using chirped mirrors. The all-solid free-space apparatus is compact, robust and pulse energy scalable, making it highly advantageous for generating intense second harmonic pulses from near-infrared femtosecond lasers in the sub-5 fs regime.
post-compression second harmonic generation self-phase modulation supercontinuum generation High Power Laser Science and Engineering
2024, 12(2): 02000e16
1 河北工业大学电子信息工程学院，天津 300401
2 河北工业大学机械工程学院，天津 300401
3 郑州大学电气与信息工程学院，河南 郑州 450001
减速型有限能量Airy脉冲振荡拖尾形状和频谱受多个参数的影响，分别分析减速型有限能量Airy脉冲峰值功率、脉冲宽度、初始啁啾、截断系数和分布因子变化对异常波产生以及超连续谱的相干性和稳定性的影响。研究结果表明，减速型有限能量Airy脉冲参数变化能够对超连续谱中异常波起到调控作用并影响超连续谱的相干性和稳定性。此外，利用多目标粒子群算法对5个脉冲参数同时进行优化，将500次模拟输出孤子峰值功率平均值两倍作为判断异常波产生的标准，将产生异常波的个数及500次模拟输出孤子峰值功率分布作为优化目标，得到减速型有限能量Airy脉冲促进或抑制异常波产生的最佳脉冲参数，实现超连续谱中异常波的可控产生。
超连续谱产生 Airy脉冲 异常波 多目标粒子群算法 目标优化 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0319001
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
3 天津市光电传感器与传感网络重点实验室，天津 300350
超快激光在透明介质传输中会导致长程无衍射传输的成丝现象。伴随着丰富的非线性光学效应，激光脉冲光谱会被极大展宽，覆盖从微波到紫外的超宽范围，被称为超连续谱。飞秒光丝辐射超连续谱具有宽光谱、高方向性和可调谐等优势，在吸收光谱检测、远程气体检测、脉冲压缩和少周期脉冲形成等领域中具有重要应用，近年来被广泛关注，并取得一系列研究成果。基于此，围绕飞秒光丝辐射超连续光谱，从物理机制到调控方法，系统梳理了该领域的研究历程及最新进展。
非线性光学 飞秒激光成丝 超连续谱产生 超连续调控
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
实验展示了一种双色被动同步的全保偏光纤激光器, 该激光器可产生宽带光谱有望用于相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测。激光器由掺镱与掺铒的光纤激光器组成, 采用注入式被动同步的方式, 在150 μm腔长失配距离内获得稳定的被动同步状态。其中掺铒激光器由高非线性光纤光谱展宽至1000~1700 nm, 与掺镱激光器输出光在空间中合束后通过和频晶体产生和频信号。被动同步双色光纤激光器可作为相干反斯托克斯拉曼散射的稳定、宽光谱探测超快光源, 有望实现宽光谱多个拉曼峰同时探测。
光纤激光器 激光同步 超连续谱产生 相干反斯托克斯拉曼散射 fiber laser laser synchronization supercontinuum generation coherent anti-Stokes Raman scattering
Author Affiliations
Abstract
1 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha, China
2 State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, Changsha, China
3 Nanhu Laser Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha, China
We report the demonstration of a mid-infrared (MIR) supercontinuum (SC) laser delivering a record-breaking average output power of more than 40 W with a long-wavelength edge up to 3.5 μm. The all-fiberized configuration was composed of a thulium-doped fiber amplifier system emitting a broadband spectrum covering 1.9–2.6 μm with pulse repetition rate of 3 MHz, and a short piece of germania fiber. A 41.9 W MIR SC with a whole spectrum of 1.9–3.5 μm was generated in a piece of 0.2-m-long germania fiber, with a power conversion efficiency of 71.4%. For an even shorter germania fiber (0.1 m), an SC with even higher output power of 44.9 W (corresponding to a conversion efficiency of 76.5%) was obtained, but the energy conversion toward the long-wavelength region was slightly limited. A continuous operation for 1 hour with output power of 32.6 W showed outstanding power stability (root mean square 0.17%) of the obtained SC laser. To the best of the authors’ knowledge, for the first time, this work demonstrates the feasibility of germania fiber on generating a 40-W level MIR SC with high efficiency and excellent power stability, paving the way to real applications requiring high power and high reliability of MIR SC lasers.
fiber laser high power nonlinear optics supercontinuum generation High Power Laser Science and Engineering
2022, 10(6): 06000e36
江苏师范大学物理与电子工程学院，江苏省先进激光材料与器件重点实验室，江苏 徐州 221116
近年来迅速发展的中红外高功率激光技术迫切需要具有输出光束质量高、质量轻、结构紧凑等特性的中红外光纤介质，用于实现激光产生、传输等。在中红外玻璃中，硫系玻璃具有最宽的透光范围；同时，硫系玻璃又具有最高的折射率和非线性折射率系数，因此它们被认为是理想的产生和传输中红外激光的光纤基质。然而，硫系玻璃网络结构由弱化学键组成，使得硫系玻璃光纤具有较低的激光损伤阈值，这与高功率激光应用需求相矛盾。在不牺牲光纤输出光束质量的前提下，大模场光子晶体光纤技术是优选的实现功率提升的技术方案。本文首先介绍了中红外激光的高功率应用需求和中红外光纤材料低激光损伤阈值之间存在的矛盾，继而对面向中红外高功率激光应用的超大模场硫系玻璃光子晶体光纤的发展进行了综述，详细描述了超大模场硫系玻璃光子晶体光纤设计、制备、材料选择、光纤性能表征等过程，并对其应用前景和存在的技术瓶颈进行了讨论和展望。结果表明，超大模场硫系玻璃光子晶体光纤有望被应用于百瓦级中红外高功率激光应用场景中。
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 脉冲功率激光技术国家重点实验室，湖南 长沙 410073
3 高能激光技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410073
高功率3~5 μm波段中红外超连续谱激光器在环境监测、生物医疗、测绘计量、**安全等领域有重要应用。在用于产生中红外超连续谱激光的非线性介质中，光纤易于实现大的非线性系数，且有效作用距离长、结构灵活、便于集成，得到了广泛研究。近年来，3~5 μm波段高功率中红外超连续谱光纤激光的技术方案日益丰富，性能指标逐步提升。总结了光谱覆盖3~5 μm的中红外超连续谱光纤激光的发展现状，并对其发展趋势进行了展望。
王莹莹 1张楠 2张培晴 1,3,4,5王训四 1,3,4,5戴世勋 1,3,4,5,*
1 宁波大学高等技术研究院红外材料及器件实验室，浙江 宁波 315211
2 南京大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210093
3 浙江省光电探测材料及器件重点实验室，浙江 宁波 315211
4 先进红外光电材料及器件浙江省工程研究中心，浙江 宁波 315211
5 红外材料及器件研究浙江国际科技合作基地，浙江 宁波 315211
制备了具有全正色散特性的Ge-As-Se-Te双包层拉锥光纤，并研究了其中的红外超连续谱输出特性。所采用的拉锥光纤的纤芯直径为12 μm，外包层直径为108 μm，锥区长度为9.8 mm。利用6 μm的飞秒激光泵浦10 cm长的拉锥光纤，获得了1.5～14.3 μm的超连续谱输出。与同样纤芯直径的单包层拉锥光纤相比，双包层结构不仅增强了光纤的机械强度，还减少了泵浦能量在锥区的损耗，进一步拓宽了超连续谱的宽度。模拟计算结果表明，该超连续谱具有高的相干性。
Author Affiliations
Abstract
1 SwissFEL, Paul Scherrer Institute, 5232 Villigen, Switzerland
2 Institute for Quantum Electronics, Physics Department, ETH Zurich, 8093 Zurich, Switzerland
We report on compact and robust supercontinuum generation and post-compression using transmission of light through multiple thin solid plates at the SwissFEL X-ray free-electron laser facility. A single stage consisting of three thin plates followed by a chirped mirror compressor achieves compression of initially 30-fs pulses with 800-nm center wavelength to sub-10-fs duration. We also demonstrate a two-stage implementation to compress the pulses further to sub-5-fs duration. With the two-stage setup, the generated supercontinuum includes wavelengths ranging from 500 to 1100 nm. The multi-plate setup is compact, robust, and stable, which makes it ideal for applications at free-electron laser facilities such as pump-probe experiments and laser-arrival timing tools.
post-compression self-phase modulation supercontinuum generation High Power Laser Science and Engineering
2021, 9(4): 01000e66
中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
光子晶体光纤已经被广泛应用于由飞秒脉冲激光源产生超连续光谱。 当激光源的重复频率较低时, 由光子晶体光纤产生的超连续光谱随时间的变化过程较为缓慢, 通常不被注意到。 而在天文光谱仪定标等应用中, 需要使用GHz至几十GHz量级的高重复频率激光源。 此时, 可观察到光子晶体光纤的超连续光谱产生性能在有限时间内产生显著的退化。 在1 040 nm飞秒激光泵浦条件下, 通过测试三种不同气孔占空比的光子晶体光纤的超连续光谱产生性能演化, 发现超连续光谱的退化进程随光纤气孔占空比的增大而加速。 观察发生光谱退化后的光子晶体光纤样品, 发现在光纤上超连续光被产生的区段出现多个不同颜色的亮点, 呈现有方向性的光泄露现象。 针对光泄露现象, 通过测量光纤的吸收光谱线, 证实了实验中超连续光谱退化的主因并非是光纤熔融石英材料中大量非桥氧色心产生。 针对光泄露具有方向性这一特征, 提出了经由多光子吸收作用在光纤纤芯中形成长周期光栅的理论。 为探究影响光子晶体光纤超连续光谱产生性能的退化的因素, 以达到光谱退化抑制的目的, 首先通过改变了光纤的拉锥参数, 期望增强光纤熔融石英材料的光子耐受性。 实验结果证实了该方法的有效性较为有限。 其次, 从保持激光源的平均功率, 降低激光脉冲的峰值功率和保持激光脉冲的峰值功率, 降低激光源平均功率两个方面入手, 对激光源进行调制。 实验结果证明, 光纤单位时间内接受的高峰值功率脉冲总量是影响其超连续光谱产生性能的最重要因素。 在天文光谱仪定标的应用中, 对超连续光谱光功率的需求并不高, 使用斩波器降低光子晶体光纤入射光的平均功率是减缓超连续光谱产生性能退化过程的有效且简单可行的方法。
光子晶体光纤 飞秒脉冲激光 超连续光谱产生 光谱演化 Photonic crystal fibers Femtosecond pulse lasers Supercontinuum generation Spectral evolution 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3588
