本文介绍如何利用大孔径空芯光纤中横模之间的非线性相互作用，产生峰值功率为4 GW的少周期可见光波段超短脉冲。
可见光波段的超短脉冲在物理、化学、生物等领域都有广泛的应用前景，尤其在蛋白质和DNA分子的动力学探测、半导体器件的光生电荷等方面发挥着独特的作用。产生这种脉冲主要依赖光参量技术：通过倍频将红外光波长转换至紫外波段，之后利用参量放大将能量转移至可见光波段。这种基于参量过程的技术面临非常多问题，例如复杂的实验装置、色散控制、非线性控制、后续压缩等等，而且总体的光光转化效率也非常低，大概在0．2％ － 2％之间。对于这种方案来说，要得到少周期脉冲首先需要大概30fs的泵浦脉冲，这又增加了实验装置的复杂度。
图1 基于空芯光纤模式混合产生可见光波段少周期脉冲
在该报告中，作者提出实现可见光波段少周期脉冲的新方法，即将一个中心波长1030nm、能量1mJ的百飞秒脉冲聚焦进入3米长充氩气的空芯光纤中。空芯光纤的内径是500um，允许激发多个高阶模式，这些高阶模式具有不同的空间分布和群速度，通过复杂的非线性相互作用，最终能够产生可见光波段的脉冲。更重要的是，产生的可见光脉冲不需要压缩，通过滤波器之后就是少周期脉冲，脉冲能量达到20uJ。
图2 模拟空芯光纤输出能量和输出光谱
为了探究可见光信号的产生过程，作者增加入射脉冲能量以研究光谱以及功率在光纤中的演化规律。图2（b）展示了当气压从2．8 bar增加到3．4 bar时，总能量透过率随着入射脉冲能量增加的变化。气压增加到3bar以上时，脉冲能量一旦超过0．8mJ，总能量透过率就会迅速降低，所以后续的实验将气压控制在2．9bar。图2（c）展示了当脉冲能量超过0．8mJ时，泵浦光能量逐渐转移到可见光波段。图2（d）和2（e）记录了不同输入能量时对应的输出光谱，可明显看出，当脉冲能量逐渐增加至超过0．8 mJ之后，可见光波段光谱成分迅速增加。
图3 可见光脉冲形成过程
除了实验，作者还做了模拟，并假定在光纤初始位置有5个模式。图3（a）画出了各个模式的能量占比随光纤长度的演化，蓝色曲线表示基模，其他曲线表示高阶模；可以看出，随着距离的增加，能量逐渐从基模转向高阶模。图3（b）是仅将可见光波段的光谱做傅里叶变换得到对应的时域脉冲。图3（c， d， e）三幅图分别对应5个模式在2．9 m、3 m、3．3 m这三个位置的光谱。在2．9 m的位置，能量集中在低阶模中，在350 nm附近有少量的三倍频信号，对应的时域没有明显的脉冲。在3m的位置，能量逐渐向可见光波段和高阶模中转移，可见光的时域脉冲开始形成。在3．3m的位置，能量被大量转移到更高阶模式和可见光波段中，时域出现脉冲分裂，光谱出现调制。如果将空芯光纤长度设定为3．1 m附近，就能直接输出单个可见光脉冲。
图4 模拟结果和实验结果对比
作者对比了模拟和实验结果，图4（a）中红色阴影为实验光谱，蓝色曲线为模拟光谱。模拟中分别用两个不同位置的滤波器将蓝色曲线表示的光谱滤出，然后做傅里叶变换得到脉冲，宽度分别为5．1 fs和3．5 fs。图4（d）和图4（e）分别是实验测到的spectrogram和自相关曲线，脉冲宽度估计为4．6 fs。
图5 少周期可见光脉冲和红外脉冲的探测装置
在上述实验中，可以得到高能量4．6 fs的可见光脉冲，但是1030nm附近的光谱成分由于过强的非线性无法压缩。通过调节实验，作者发现，可以在可见光波段和泵浦光波段同时获得少周期脉冲，脉冲宽度分别是7．3 fs和10 fs（图5），并且利用这两个脉冲做互相关，再次证实少周期脉冲的产生。
该工作提出了一种产生可见光波段少周期脉冲的新机制，可以从空芯光纤中直接产生20 μJ、4．6 fs的超短脉冲。这种新方案不影响红外波段的脉冲压缩，可以同时产生红外和可见光波段的少周期脉冲，对于研究光伏和纳米电子学中具有重要意义。
参考文献
［1］ Piccoli， R．， Brown， J．M．， Jeong， YG． et al． Intense few－cycle visible pulses directly generated via nonlinear fibre mode mixing． Nat． Photon． 15， 884–889 （2021）．
［2］ R． Piccoli， et al．， ＂4－GW Few－Cycle Visible Pulse Generation via Fiber Mode Mixing，＂ in Conference on Lasers and Electro－Optics， OSA Technical Digest （online） （Optical Society of America， 2022）， paper FTh2A．6
