掺镱光纤（Yb光纤）激光器可产生中心波长约为1μm的超快脉冲，但在许多应用中，包括科学（高次谐波产生）和医学应用（光学相干断层扫描的新形式），都需要稍长波长的高能超快脉冲。传统的波长可调谐超快脉冲光源——光学参量放大器（OPA），通过对1μm超快脉冲频率下转换，并允许从约1.3~4.5μm的连续调谐，但没有附加倍频也无法到达重要的1.0~1.3μm范围。另外，OPA系统庞大、复杂且成本高昂。

一个国际研究团队提出了一种简单得多的方法（因此成本更低），可以在1~1.7μm区间产生超快脉冲：将1μm泵浦脉冲沿着一段长的充氮空芯光纤传输，产生光的极端拉曼红移。^[1]这种方法的另一个好处是：将脉宽从输入泵浦脉冲的200fs缩短到约20fs。该团队成员来自奥地利维也纳技术大学、加拿大国家科学研究所（INRS）、立陶宛物理科学与技术中心、中国电子科学技术大学、加拿大Few-Cycle公司、俄罗斯莫斯科国立大学、俄罗斯量子中心以及美国德克萨斯农工大学。

通常，空芯光纤填充单原子气体（例如氩气），以对称地展宽激光光谱，然后将其重新压缩为短得多的光脉冲。该研究团队发现，通过使用诸如氮气之类的分子气体，光谱展宽仍然是可能的，但却是以出乎意料的非对称方式进行。一旦光束向更长的红外（IR）波长展宽，研究人员就对输出光谱进行过滤，仅保留感兴趣的波段。通过这种方法，能量以比输入短三倍的脉冲传输到近红外光谱范围内（效率与OPA相当），而无需任何复杂的设备或额外的脉冲后压缩系统（见图1）。

图1：在该概念图中，超快激光脉冲（蓝色）从左侧进入填充有氮气（红色分子）的拉伸空芯光纤中，并且在传播过程中会经历向更长波长的光谱展宽，图中描绘为橙色输出光束（图右侧）。这种非线性现象是由拉曼效应引起的，该拉曼效应与激光场下气体分子的转动有关，如图下部分所示。（图片来源：Riccardo Piccoli，INRS）

尽管上述大部分研发工作是由INRS的Riccardo Piccoli、Luca Razzari、 Roberto Morandotti及同事完成的，但Andrius Baltuska和Paolo Carpeggiani领导的设在维也纳的研究团队拥有与INRS相辅相成的策略。他们也使用了充氮的空芯光纤，但是没有过滤光谱，而是使用能够调节展宽脉冲相位的色散镜及时压缩光谱。Carpeggiani说：“在这种情况下，红外的整体频移不是那么极端，但是最终脉冲却短得多而且更强，完美适合于阿秒和强场物理学。”

拉伸空芯光纤

在这两种情况下，实验装置均对放置在支架中的空芯光纤（HCF）进行拉伸，然后由基于Yb的放大激光系统泵浦200fs的1.03μm脉冲。由INRS衍生出来的初创公司Few-Cycle，推出了用于拉伸和夹持空芯光纤的特殊系统。支架可以安全地拉伸和夹持几米长的空芯光纤，从而实现高脉冲压缩比，效率高达80％。维也纳技术大学的装置基于5.5m长、内径为1mm的光纤；而INRS的装置基于6m长、内径为0.53mm的光纤，以及用宽带啁啾镜来压缩脉冲。

由Aleksei Zheltikov领导的莫斯科小组专注于开发理论模型来解释这些光学现象。通过将这三种方式结合起来，研究人员能够充分理解复杂的内部动力学，同时还能使用氮实现极高的红移，以及在红外范围内实现有效的脉冲压缩。

研究团队相信，从基于Yb激光技术的较便宜的工业级可调谐系统开始，基于拉曼频移的方法，可以很好地满足“激光和强场应用中，对更长波长的超快光源”日益增长的需求。

参考文献

1. P. A. Carpeggiani et al., Optica (2020); https://doi.org/10.1364/optica.397685.