目前比较常用的增益介质有激发波长在800 nm钛离子、1030 nm的镱离子、1350 nm的铬离子和1550 nm的铒离子等。然而，很多应用所需要的飞秒光源并不在这些波段范围，比如多光子生物医学成像，为了增加成像深度，需要中心波长在1300 nm和1700 nm的飞秒光源。这种特殊波长的飞秒光源需要利用晶体或者光纤中的非线性效应来获得，孤子自频移就是一种常见的波长转换技术。然而，在固体光纤中，由于其模场直径比较小，受限于非线性和色散等因素，利用孤子自频移的方法很难得到高能量的飞秒脉冲。本期文章介绍了首次在充气反谐振空芯光纤中进行孤子自频移的工作，该工作通过选择窄脉宽输入的光源以及充氢气大大降低了输入脉冲的孤子阶数，从而得到了转换效率最高为45．8％的自频移孤子脉冲。
图1 实验装置以及光纤参数
实验装置如图1所示，前端光源基于增益管理放大，输出中心波长在1080 nm，脉冲能量为400 nJ，脉冲宽度为32 fs的脉冲。然后耦合进纤芯直径为30 μm，长度为2 m的空芯光纤中，耦合效率大约为60％。这款光纤在800－1700 nm的损耗小于0．3db／m，保证了波长在800－1700 nm的脉冲传输。通过调节气压来减小光纤中的负色散，气压在100bar以下时，1 μm以上处于负色散区域，保证了能够形成孤子。
图2 不同气压情况下的孤子自频移
保持输入脉冲参数不变，通过改变气压来实现拉曼孤子不断红移。在不同气压情况下，孤子红移的情况如图2所示：当气压为40bar时，孤子频移至1300nm，此时孤子所占能量为70 nJ，脉冲宽度为42 fs， 对应的峰值功率超过2 MW。增加气压至50bar时，孤子频移至1430 nm，再继续增加气压至98．2 bar时，孤子频移至1600 nm，脉冲能量为20 nJ，对应的转换效率为8．3％。
图3 模拟结果
为了更好地理解整个过程，作者对这个过程进行了模拟计算，模拟结果如图所示3所示。图3a为不同气压情况下孤子红移的情况。图3b为气压在20 bar、60 bar和100 bar时对应的脉冲，脉宽在30－40 fs之间，而实验上脉冲宽度在45fs左右，可能是后面器件引入的色散导致脉冲展宽。模拟结果跟实验结果主要有两方面不同，分别体现在孤子能量和孤子波长上。孤子能量方面，模拟结果比实验结果整体高将近30nJ。孤子波长方面，模拟中拉曼孤子最远频移至1800 nm，而实验只有1600 nm。对此，作者将其解释为模拟参数跟实验参数之间的误差。
图4 模拟结果：2 μJ，35 fs输入脉冲
为了得到更高脉冲能量的拉曼孤子，可以将输入脉冲能量提高，这样就可以减少气压。气体气压越小，负色散更大，有利于孤子形成。并且，气压越小，非线性也更小，从而可以降低孤子阶数，有利于得到更高的转换效率。这里假设有一个2 μJ的脉冲，脉冲宽度35fs。在气压为10bar的时候，拉曼孤子便可以频移到1700nm，脉冲能量为600nJ，脉冲宽度在35fs左右。总而言之，由于充气空芯光纤具有大模场直径、色散可调节和优异的输出光斑质量等优点，波长转换技术与之结合会更有利于转换波长脉冲的功率和能量扩展，从而在更多的应用中发挥重要的作用。
参考文献：
［1］ Yi－Hao Chen， Pavel Sidorenko， Enrique Antonio－Lopez， Rodrigo Amezcua－Correa， and Frank Wise， ＂Efficient soliton self－frequency shift in hydrogen－filled hollow－core fiber，＂ Opt． Lett． 47， 285－288 （2022）
