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超强激光科学卓越创新简报

(第六百七十五期)

2025年7月2日

上海光机所在基于空芯光子晶体光纤的中红外超快脉冲柔性传输研究中取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部庞盟研究员团队与罗素先进光波科学中心团队合作，在基于空芯光子晶体光纤的2.8μm波段中红外超快脉冲的柔性传输研究取得进展。相关研究成果以“Flexible delivery of broadband, 100 fs mid-infrared pulses in the water-absorption band using hollow-core photonic crystal fiber”为题发表于Optica。

高功率中红外超快宽谱光源在先进光谱学、材料精密加工、医疗手术及遥感等领域具有重要应用。然而，受限于激光传输手段的不足，中红外激光技术的进一步发展受到严重制约。在传统传输方案中，空间光路中气体分子的强吸收会引起输出光斑畸变并降低脉冲质量；而实芯中红外光纤在传输过程中容易发生严重的非线性积累，导致输出的时频域信号严重畸变。

为克服上述限制，实验团队以中红外脉冲光纤激光器为光源，采用长度为 5 m 的空芯光子晶体光纤作为传输通道，搭建了超快中红外脉冲传输系统。该空芯光子晶体光纤的两端固定于气室内，并可通过真空泵对其进行抽真空处理。实验结果表明，在抽真空条件下，系统实现了激光整体传输效率超过 70% 和近衍射极限的高斯光束输出。通过材料色散补偿，最终获得了脉宽 98 fs（变换极限脉宽 96 fs）、峰值功率达 170 kW、基模能量占比超过 95% 的高质量超快脉冲输出。此外，实验人员还将该传输方案与同等长度的空间光路及实芯氟化物光纤进行了对比实验，验证了空芯光子晶体光纤在高峰值功率中红外超快脉冲传输中的独特优势。该实验实现了高效率、高保真度且高单模纯度的中红外激光柔性传输，为宽带中红外超快光源在光谱学、红外对抗及遥感等领域的应用奠定了良好基础。

相关工作得到了中国科学院先导专项、上海市科技创新行动计划、上海市科技计划项目支持。

原文链接

图1 (a) 实验光路，Lens，镀膜的CaF2平凸透镜；HWP，半波片；QWP，四分之一波片；FM，扳倒镜；FTIR，傅里叶变换红外光谱仪；AC，自相关仪，(b) 光纤结构的扫描电镜图，（c）使用截断法测量的损耗谱，阴影区域表示测量不确定性(橙色，左侧轴)，计算的色散曲线(蓝色，右侧轴)，(d) 经5米长空芯光子晶体光纤的输出功率，（e）使用30 mm的ZnSe和5 mm的Ge材料，实现了近变换极限脉宽98 fs的脉冲输出。

图2 (a) 水汽的归一化吸收光谱，(b) 激光直接输出(灰色)和在空间光路的传输谱(紫色)、空芯光子晶体光纤在空气中的传输谱(绿色)以及空芯光子晶体光纤在真空中的传输谱(红色)，右边显示在2.7-2.8 μm范围内的放大光谱，(c) 实芯氟化物光纤中的拉曼孤子产生。左边为FTIR光谱，右边为自相关迹。

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