近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与罗素先进光波科学中心团队在基于空芯反谐振光纤的蓝移孤子研究中取得进展。相关研究成果以“Spectral Bandwidth Tuning of Photoionization-induced Blue-Shifted Solitons in gas-Filled Hollow-Core Anti-Resonant Fibers”为题发表于IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics。
空芯反谐振光纤具有结构简单、低损耗、宽带传输窗口等优点，被广泛应用于高功率激光传能、光纤传感、光纤通信以及超快非线性光学等研究领域。而在基于空芯反谐振光纤的超快非线性光学研究中，通过改变空芯波导中的气体类型和气压能够有效调控波导中的色散和非线性，从而实现丰富的孤子动力学过程。其中，孤子与等离子体相互作用产生的蓝移孤子可以实现高效率的激光频率上转换，从而产生近红外和可见光波段、波长可调谐的超短激光脉冲，近年来引起了领域内的广泛关注。
图1 同一中心波长下蓝移孤子谱宽调谐特性（a）蓝移孤子光谱测量，（b）蓝移孤子谱宽及傅里叶变换极限脉宽，（c）蓝移孤子的孤子阶数
图2 不同气压下蓝移孤子的时域测量（a）5.5 bar，（b）7 bar，（c）8 bar
研究团队自2018年以来系统地开展了空芯反谐振光纤中孤子-等离子体相互作用研究，取得了一系列研究成果。包括：实现蓝移孤子中心波长连续调谐[Optics Express 26, 34977 (2018), Optics Letters 44, 1805 (2019)]，蓝移孤子谱宽调谐[Optics Express 27, 30798 (2019)]，验证绝热孤子自压缩[Optics Letters 44, 5562 (2019)]，蓝移孤子驱动的高效谐振色散波辐射[Optics Express 28, 17076 (2020)]等。
在本项研究中，研究团队系统研究了蓝移孤子的谱宽调控机理，通过理论和实验相结合，揭示了这种谱宽调谐规律遵循孤子面积理论。在实验中，通过改变空芯反谐振光纤中的气压和入射脉冲能量，在光纤输出端获得了高重复频率（10 kHz）可调谐超快脉冲，中心波长调谐范围为900 nm至650 nm，带宽调谐范围为100 nm至180 nm（700 nm波长处），对应7.2 fs至5.4 fs的可调谐脉冲宽度，实验的结果与理论预测相吻合。这种可调谐超快光源有望应用于超快光谱学和非线性光学等研究领域。
图3 蓝移孤子稳定性及近场光斑质量（a）光谱稳定性，（b）能量稳定性，（c）近场光斑分布
