孤子分裂动力学驱动的紫外色散波倍频程展宽

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所冷雨欣研究员、庞盟研究员以及黄志远副研究员团队揭示了空芯光纤中一种新颖的孤子动力学机制：高阶孤子分裂引起的高强度次级脉冲调制效应。利用该效应实现了微焦量级、高相干度、宽光谱的紫外飞秒激光产生，所产生的紫外光谱覆盖一个倍频程（200-400 nm）。在时域上，该技术支持傅里叶变换极限脉宽约1 fs的近单周期紫外脉冲，且所产生的紫外脉冲的中心波长与光谱宽度可通过控制入射脉冲能量和空芯波导中的气压进行大范围调谐。

研究成果以“Octave-wide broadening of ultraviolet dispersive wave driven by soliton-splitting dynamics”为题，于2024年10月7日发表于Nature Communications上。

02 研究背景

宽带可调谐的超快紫外激光在超快电镜、泵浦探测光谱学、燃烧科学以及加速器物理等领域具有重要应用价值，是当前超快激光技术领域的研究前沿。基于空芯光纤的紫外色散波辐射技术，可将近红外激光能量高效变换至深紫外乃至真空紫外波段，且具有波长连续调谐能力，是产生高品质、可调谐紫外飞秒激光的前沿技术。

然而，传统的紫外色散波辐射技术，由于相位匹配条件的限制，其产生的紫外脉冲光谱宽度通常被限制在数纳米至数十纳米范围（如图1b所示）。这在很大程度上限制了紫外色散波脉冲的光谱带宽，从而也限制了其在时域上的超快特性，无法满足超快电镜等领域对于少周期、超宽带紫外激光的应用需求。因此，如何克服传统紫外色散波脉冲光谱带宽的性能瓶颈，实现紫外波段超宽光谱、少周期脉冲的高效产生是该领域亟待解决的难题之一。

03 研究创新点

针对上述难题，研究团队提出了一种新颖的孤子动力学机制，创新性地将高阶孤子分裂效应巧妙引入紫外色散波辐射过程中。在充气空芯光纤中，高阶孤子首先在自相位调制效应与反常色散共同作用下经历孤子自压缩，脉冲光谱迅速往短波长光谱区展宽。当满足色散波辐射的相位匹配条件时，孤子能量直接频率变换至紫外波段，实现高效紫外色散波辐射（如图1a所示）。由于高阶孤子分裂效应，泵浦脉冲后沿产生的高强度次级脉冲恰好与紫外色散波时域重合，因此强烈交叉相位调制紫外色散波光谱，导致微焦量级超宽带紫外色散波辐射。产生的超宽带紫外色散波覆盖一个倍频程（200-400 nm），能量转换效率>6%，并且不同波长下表现出良好的基模特性（如图1c和1d所示）。

图1 (a) 超宽带紫外色散波产生机制，(b) 传统紫外色散波光谱，(c) 超宽带紫外色散波光谱，(d) 超宽带紫外脉冲在不同波长下的光斑模式

该超宽带紫外色散波同时也呈现出很好的相干性，时域上支持傅里叶变换极限脉宽约为1 fs的近单周期紫外脉冲（如图2a-2c所示）。而在实际脉冲测量过程中，虽然存在啁啾镜带宽限制，但是实验上仍然能够测量得到3.7 fs的超短超宽带紫外脉冲（如图2d-2g所示）。此外，通过调节入射脉冲能量以及空芯波导内的气压，可以实现超宽带紫外色散波中心波长和带宽的同时调谐（如图3a和3b所示）。

图2 (a-c) 超宽带紫外色散波相干性及时域包络和电场强度，(d-g) 超宽带紫外色散波时域测量

图3 (a) 超宽带紫外色散波中心波长可调谐，(b) 超宽带紫外色散波带宽可调谐

04 总结与展望

研究团队提出一种基于空芯光纤的孤子动力学新机制，利用该机制能突破传统色散波产生过程中相位匹配条件的限制，产生微焦量级、高相干、超宽带可调谐的近单周期紫外脉冲。该项研究扩展了人们对孤子和色散波之间相互作用的认识，为超宽带可调谐紫外激光产生提供了新的技术手段。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-52955-6