超连续谱激光新技术：氮气分子受激拉曼散射效应主导的超连续谱产生

近日，暨南大学光子技术研究院汪滢莹研究团队与北京工业大学王璞教授课题组、英国赫瑞瓦特大学John C. Travers教授课题组合作，在氮气填充的反谐振空芯光纤中探究了一种全新的由受激拉曼散射效应主导的超连续谱形成机制，实验产生的超连续谱光谱范围覆盖深紫外-可见光-近红外波段。相关成果“From Raman Frequency Combs to Supercontinuum Generation in Nitrogen-Filled Hollow-Core Anti-Resonant Fiber”发表在Laser & Photonics Review, 2100426, 2022（DOI: 10.1002/lpor.202100426）。

图1 实验测量结果。(a)在最大脉冲能量64.4 µJ下的超连续谱光谱图，橘黄色曲线是用海洋光学光谱仪（QE65 Pro）测得超连续谱在深紫外波段的光谱；上方图像是利用光栅分光之后拍摄的超连续谱照片；(b)随着泵浦激光单脉冲能量增加，测得的输出光谱。

受激拉曼散射作为一种源于分子的非弹性散射过程，利用长脉冲或连续波窄带激光器作为泵浦源可以产生离散级联的光谱集群——拉曼光频梳。这种拉曼光频梳在瞬态光场合成、光学周期量级超短脉冲激光产生以及波长变换等研究领域有着重要的应用。近年来，随着空芯光纤技术的快速发展，被冠以“光纤2.0”美誉的反谐振反射型空芯光纤因展现出宽传输通带、高激光损伤阈值和超低传输损耗等优秀性质，为光与物质相互作用创造了理想高效的环境。这种反谐振空芯光纤可以将气体分子和激光约束在中空纤芯中，在这样极小横截面积和极长相互作用长度的光路中，可以直接产生源于量子噪声的拉曼光频梳，而不需要多波长激光泵浦。尽管目前报道的拉曼光频梳可以实现跨越几个倍频程的光谱宽度，但是仍然由离散特定波长的激光谱线构成，而不能实现连续的光谱覆盖。

图2 仿真计算的光谱演化结果。对比了克尔效应（P^k）、振动拉曼响应（P^v）、转动拉曼响应（P^r）以及不同效应组合叠加情况下的非线性动力学过程对输出光谱的影响。

暨南大学汪滢莹研究团队、北京工业大学王璞教授课题组和英国赫瑞瓦特大学John Travers教授课题组理论和实验验证了一种受激拉曼散射效应主导的超连续谱形成过程，即通过受激拉曼散射效应可以建立一个宽带且平滑的超连续谱。实验上选择脉冲宽度20 ps、转化极限的窄带可见光532 nm激光作为激励源，泵浦充有40 bar氮气的反谐振空芯光纤，该空芯光纤的第一阶反谐振通光窗口可以覆盖可见光-近红外（420-1400 nm）波段。在较低泵浦能量下，光纤输出端可以产生氮气分子的多条、窄带、离散、级联的振动拉曼激光谱线构成的拉曼光频梳。随着泵浦激光脉冲能量的增加，泵浦激光和振动拉曼激光又进一步激发了氮气分子的转动拉曼光谱，最后在这些振动和转动拉曼光谱的作用下，拉曼光频梳演化成一个平滑的超连续光谱，同时在250 - 360 nm波段辐射出宽带的深紫外激光。仿真计算进一步证实，通过引入振动和转动响应，仅依靠拉曼效应就可以产生光谱范围覆盖深紫外到中红外的超连续谱，并且这种由受激拉曼散射效应主导形成的超连续谱相比于传统的光学克尔效应、孤子分裂主导形成的超连续谱，具有高达几十至百微焦的单脉冲能量。相关论文在线发表在Laser & Photonics Reviews上，文章第一作者为高寿飞副研究员，通信作者为汪滢莹研究员。