科学家展示强紫外-可见-红外全光谱激光器

​a, HCF-LN-CPPLN 实验装置示意图。W，CaF₂ 窗口；M，反射镜。b，CPPLN 样品发出的明亮白光圆斑。c，b 的一阶衍射光束，显示出从紫色到红色的七彩彩虹图案。d，HCF-LN-CPPLN 模块通过协同 2-NL HHG 和 3-NL SPM 效应产生的输出全谱激光信号的归一化光谱，以 -25 dB 为标准进行估算。请注意，频谱已根据最大值进行归一化处理。作者：洪丽红、刘立强、刘媛媛、钱俊宇、冯仁宇、李文凯、李艳艳、彭玉洁、冷雨欣、李如欣、李志远

高亮度超宽带超连续白光激光器在物理学、化学、生物学、材料科学和其他科学技术领域引起了越来越多的关注。在过去的几十年中，人们开发了许多不同的超连续白激光发生方法。

它们大多利用各种三阶非线性效应（3rd-NL），如发生在微结构光子晶体光纤或均质板材或填充惰性气体的空芯光纤中的自相位调制（SPM）。然而，这些超连续光源的质量受到一些限制，例如纳焦耳级脉冲能量较小，需要复杂的色散工程。

另一种扩大激光光谱范围的更强大手段是通过准相位匹配（QPM）方案这一前景广阔的途径来实现各种二阶非线性效应（2nd-NL）。然而，由于泵浦带宽较窄、QPM 工作带宽有限以及高阶谐波的能量转换效率降低，这些纯粹的二阶非线性方案在光谱和功率扩展方面的性能仍然较差。

坦率地说，如何解决第 2-NL 和第 3-NL 两种机制中存在的这些缺陷，并在生产从紫外到中红外的全光谱超连续激光器时做到两全其美，已成为一项巨大的挑战。

在发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，由华南理工大学物理与光电学院李志远教授领导的科学家团队及其合作者展示了一种跨四个倍频程的紫外-可见-红外（UV-Vis-IR）全谱段激光光源（300 nm 至 5000 nm，峰值-25 dB），其能量为 0. 每个脉冲的能量为 54 mJ，由充气中空芯光纤 (HCF)、裸铌酸锂 (LN) 晶体板和特殊设计的啁啾周期性极化铌酸锂晶体 (CPPLN) 级联而成，并由 3.9 mm、3.3 mJ 中红外泵浦脉冲进行泵浦。

在 3.3 mJ 3.9 μm 中红外飞秒脉冲激光的泵浦下，HCF-LN 系统可以产生一个一个倍频程带宽的高强度中红外激光脉冲，作为 CPPLN 的次级 FW 泵浦输入，而 CPPLN 则支持高效宽带 HHG 过程，进一步将光谱带宽大大扩展到紫外-可见-近红外。显然，这种级联结构创造性地满足了产生全谱白光激光的两个先决条件：条件 1 是高强度的一倍频程泵浦飞秒激光，条件 2 是具有超大频率上转换带宽的非线性晶体。此外，该系统还包含相当大的第二非线性效应和第三非线性效应的协同作用。
 

a, CPPLN 中通过级联第 2-NL QPM 上转换在中红外泵浦飞秒激光器上同时产生宽带第 2-10 HHG 的示意图。b, 通过第 2-NL 和第 3-NL 的协同作用，在高峰值功率中红外泵浦飞秒激光器上产生超宽带第 2-10 HHG 超连续白激光的原理图。c, 通过第 2-NL 和第 3-NL 协同作用，通过级联 HCF-LN-CPPLN 模块产生全光谱激光的机制。d，设计用于 HHG 的 CPPLN 晶体的结构几何示意图。e，典型 CPPLN 结构蚀刻样品表面的光学显微图像。f，CPPLN 样品的正畴和负畴放大图。g，均质 LN 晶体中 SHG 过程的相位失配曲线和设计的 CPPLN 样品在第 2-10 次 HHG 过程中的傅里叶系数曲线的组合图，分为六个 QPM 波段。通讯作者：洪丽红、刘立强、刘媛媛、钱俊宇、冯仁宇、李文凯、李艳艳、彭玉洁、冷雨欣、李汝欣、李志远

他们开发的这一协同机制为扩展整个紫外-可见-红外超连续光谱和填补各种 HHG 之间的光谱间隙带来了超强的能力，远远超过了以往工作中采用的第 2-NL 或第 3-NL 效应的单一作用。

因此，这种级联 HCF-LN-CPPLN 光学模块能够获得以前无法获得的高强度全谱激光输出，不仅带宽极大（跨越 4 个倍频程），而且光谱剖面平坦度高（从 300 纳米到 5000 纳米，平坦度优于 25 dB），脉冲能量大（每个脉冲 0.54 mJ）。

"我们相信，通过利用第2-NL HHG效应和第3-NL SPM效应的协同作用，我们创造出了四倍频程跨紫外-可见-红外全谱飞秒激光光源的方案，标志着我们在构建具有更大带宽、更大功率能量、更高光谱亮度和更平坦光谱轮廓的超连续白光激光光源方面迈出了一大步。科学家们说："这样一种高强度全光谱飞秒激光器将为光学光谱学提供一种革命性的工具，并在物理学、化学、生物学、材料科学、信息技术、工业加工和环境监测等领域找到潜在的应用。

参考资料
 

Lihong Hong et al, Intense ultraviolet–visible–infrared full-spectrum laser, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01256-6

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