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長波紅外光指的是8到15 μm波段的紅外光，應(yīng)用領(lǐng)域包括超快分子光譜學(xué)、強場光物質(zhì)物理學(xué)等。這一波段的脈沖主要通過二氧化碳激光器和固體介質(zhì)中的頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，二氧化碳激光器的參數(shù)優(yōu)秀，但體積大、維護難；基于晶體的光參量放大或差頻產(chǎn)生在10 μm以下表現(xiàn)優(yōu)秀，但在長波段存在效率低的問題。受激拉曼散射是一種應(yīng)用廣泛的頻率下轉(zhuǎn)換技術(shù)，常用于產(chǎn)生1.2 μm及以下的近紅外波段的脈沖。氣體分子的振動退相時間在百皮秒以上，當脈沖的寬度在皮秒以下時，所引發(fā)的受激拉曼散射是瞬態(tài)的，其強度僅與脈沖能量有關(guān)，因此可以通過引入啁啾降低峰值功率的方式避免自相位調(diào)制的影響。對啁啾脈沖而言，脈沖激發(fā)氣體分子需要時間，受激拉曼散射發(fā)生在脈沖的后沿，如圖1(a)所示。
此時有部分光譜未參與散射，斯托克斯光的光譜較窄，壓縮后得到的脈沖寬度大?？梢酝ㄟ^雙脈沖的方式解決這一問題，如圖1(b)所示：兩個時間間隔百皮秒以內(nèi)、正交偏振的脈沖先后在氣體中傳播；經(jīng)第一個脈沖激發(fā)后，對第二個脈沖而言介質(zhì)中存在大量激發(fā)后的氣體分子，也就是聲子，從而在前后沿均產(chǎn)生較強的受激拉曼散射，S偏振的斯托克斯光可經(jīng)偏振器件和雙色鏡濾出。波段更長的斯托克斯光需要氣體分子具有較大的振動頻移，氫分子較為合適。使用1064 nm泵浦光進行兩級拉曼散射即可獲得9.2 μm的斯托克斯光。為了改善效率和脈沖質(zhì)量，使用單次受激拉曼散射產(chǎn)生長波紅外光，則需要泵浦波長在1.8 μm以上[1]。
圖1 單脈沖和雙脈沖激發(fā)受激拉曼散射[1]
當泵浦波長大于1.8 μm時，氫分子的轉(zhuǎn)動拉曼增益變得顯著，但可以通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將其抑制。在自由空間中，當氣壓大于5 bar，泵浦波長大于2 μm時將以轉(zhuǎn)動能級對應(yīng)的拉曼散射占主導(dǎo)，而在空芯光纖中，S型色散曲線使得轉(zhuǎn)動能級對應(yīng)的泵浦、斯托克斯和反斯托克斯光達成相位匹配，及時消耗轉(zhuǎn)動能級對應(yīng)的聲子從而抑制斯托克斯光的產(chǎn)生。由于轉(zhuǎn)動能級的相位匹配波長比振動更低，可以在長波長部分使得振動能級對應(yīng)的受激拉曼散射占主導(dǎo)。仿真表明，與單脈沖相比，雙脈沖情況下，斯托克斯光的光譜較寬，可壓縮的脈寬較窄，脈沖能量也較高。
但是，兩種情況下的Strehl比，也就是實際和變換極限脈沖的峰值功率之比均較低，基底較大，光譜的抖動也較大，同時，考慮到兩個脈沖的總能量，轉(zhuǎn)換效率并沒有提升?？的螤柎髮W(xué)的Yi-Hao Chen等人提出可以減小第一個泵浦脈沖波長，采用雙波長雙脈沖的方案來解決這些問題，如圖2所示[1]。在雙波長雙脈沖方案中，第一個脈沖僅用于激發(fā)氫分子，所激發(fā)聲子頻率與脈沖波長無關(guān)，可以減小第一個脈沖的波長，從而抑制反斯托克斯光，提升脈沖質(zhì)量，同時提升拉曼增益，降低對脈沖能量和光纖長度的要求，此外還降低了單個光子的產(chǎn)熱量。
圖2 雙波長雙脈沖的受激拉曼散射[1]
圖3展示了波長分別為0.8 μm和2 μm，能量均為2 mJ和5 mJ，變換極限脈寬均為50 fs，展寬至10 ps的雙波長雙脈沖在充有20 bar氫氣、芯徑為300 μm的空芯光纖中進行受激拉曼散射的模擬結(jié)果。圖3(a)展示了總光子數(shù)、泵浦光子數(shù)、斯托克斯光子數(shù)和反斯托克斯光子數(shù)隨傳播距離的變化情況，第一個脈沖主要發(fā)生頻率下轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生斯托克斯光，而第二個脈沖中則同時產(chǎn)生斯托克斯和反斯托克斯光，但以斯托克斯光占主導(dǎo)，這是通過調(diào)整第一個脈沖的波長和氣壓，從而修改相位匹配條件實現(xiàn)的。圖3(b, c)展示了斯托克斯光的光譜和時域波形，光譜較寬，抖動較小，壓縮后脈寬可達88 fs，Strehl比為0.8，脈沖能量為420 μJ。
圖3 雙波長雙脈沖方案模擬結(jié)果[1]
圖4(a-d)分別展示了雙波長雙脈沖方案的量子效率，相對峰值功率，Strehl比和脈沖能量最大時的模擬結(jié)果，其中相對峰值功率代表模擬結(jié)果與第二個脈沖完美轉(zhuǎn)換為斯托克斯脈沖時峰值功率的比。從圖中可以看出，當0.8 μm脈沖的能量高于1 mJ時即可充分激發(fā)氫分子，使得2 μm脈沖的受激拉曼散射具有較高的量子效率。當2 μm脈沖能量較低時，不足以產(chǎn)生斯托克斯光，能量較高時則受自相位調(diào)制的影響，使得相對峰值和Strehl比降低。當0.8 μm脈沖能量較高時，將激發(fā)級聯(lián)受激拉曼散射，產(chǎn)生具有多種波矢的聲子，干擾2 μm脈沖的受激拉曼散射過程。當兩個泵浦脈沖能量均較高時，斯托克斯脈沖的Strehl比降低為0.5。黑色虛線框出了Strehl比和產(chǎn)生效率較高的參數(shù)區(qū)間。
圖4 雙波長雙脈沖方案的參數(shù)優(yōu)化
在單波長雙脈沖方案中，Strehl比和產(chǎn)生效率是不能同時達到最優(yōu)的，當?shù)谝粋€脈沖太弱時，不足以充分激發(fā)氫分子，使得第二個脈沖產(chǎn)生斯托克斯光的效率較低；當?shù)谝粋€脈沖太強時，其自身產(chǎn)生的斯托克斯光所激發(fā)的聲子與第二個脈沖達成相位匹配，引起第二個脈沖產(chǎn)生較強的反斯托克斯光，與斯托克斯光干涉，降低了Strehl比?？偟膩碚f，在長波紅外波段，雙波長雙脈沖受激拉曼輻射存在峰值功率高、光譜寬、穩(wěn)定、脈沖質(zhì)量好的優(yōu)點，但需要前端光源可以產(chǎn)生同步的不同波長的高能量脈沖，裝置較復(fù)雜，總效率比單波長方案低，適用于對峰值功率和脈沖質(zhì)量要求高的應(yīng)用場景。
