通过色散波产生获得深紫外飞秒脉冲
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深紫外超短脉冲的产生是许多物理领域所需的关键技术。而一般基于谐波产生的深紫外光源存在着不能直接调谐波长，能量转化效率较低，只能产生和驱动脉冲源相似脉宽的脉冲等局限性。为此，该文章提出了一种基于色散波产生的深紫外超短脉冲产生方法。其通过调节空心光子晶体光纤中的气压及气压梯度来调节色散波产生的相位匹配条件，在实验上实现了可调谐，窄脉宽且接近变换极限的深紫外脉冲，并利用数值模拟完成了其中的理论诠释。实验装置分为三部分：(a)预压缩部分(b)深紫外产生部分(c)脉冲表征部分如图1所示。
图1 实验装置 [1]
图1中种子源为钛宝石激光器，BS为分束器，BPF为带通滤波器，获得窄带近红外窗脉冲，CM为啁啾镜，HWP为半波片，TFP为薄膜偏振片，PCF使用抗谐振kagome PCF，长7.5 cm，芯径33 μm，填充氩气，BBO为偏硼酸钡晶体。
(a) 预压缩部分的主体由长度1 m气压0-250 mbar的空心光纤，一对啁啾镜组成的压缩器，和一对薄膜偏振器组成的衰减器构成。该部分对中心波长790 nm，脉宽30 fs的输入脉冲光谱展宽并压缩至13.5 fs，获得深紫外产生部分所需的驱动脉冲和脉冲表征部分所需的参考脉冲。该压缩部分不是必需的，但可以优化深紫外产生部分孤子自压缩的质量，以减少最终色散波光谱中复杂的结构。
(b) 深紫外产生部分是整个系统的核心，从预压缩部分输出的脉冲在经过空间滤波后，被聚焦耦合到抗谐振的Kagome光纤中，以经历高阶孤子自压缩和色散波产生的过程。Kagome光纤的一端为可调气压的气室，而另一端为真空室，由此来形成所需的负向气压梯度。
(c) 脉冲表征部分则用于测量输出脉冲的能量，脉宽等信息，揭示了该方法能以3 %的效率获得窄于4 fs且接近变换极限的脉冲。因为BBO在短于190 nm的波段不透明，故此部分由DFG XFROG实现，并应用了rPIE法。该方法不需要参考脉冲的相位信息，且可以测量短于参考脉冲的脉冲。分别将气室气压调节至6 bar，7.5 bar和12.5 bar，可分别获得中心波长为225 nm，250 nm，300 nm，脉冲宽度在3 fs作用在深紫外超短脉冲，如图2所示。
图2 调节气压获得的深紫外脉冲 [2]
图2中黑线代表DFG XFROG法经rPIE处理后的光谱和时域脉冲，紫线代表不同波长处的相位，红色虚线代表直接测量得到的紫外脉冲光谱。由图可见XFROG法与直接测量所得光谱较为一致，250 nm和300 nm的紫外脉冲相位分布平缓，脉冲接近变换极限，225 nm的紫外脉冲有较多的长波长成分，且延迟较高。在理论部分，文章通过模拟脉冲在具有一定气压梯度的Kagome光纤中的演化过程，揭示了窄脉宽，变换极限色散波产生的两点主要原因：
图3 225nm紫外产生的理论模拟 [3]
图3是在PCF气室端施加6 bar气压所获得的的模拟结果，输入脉冲能量1.15 μJ，PCF长7.5 cm，芯径33 μm，填充氩气。图2(a)是输出色散波的光谱（黑线）和相位（紫线），图2(b)是脉冲沿PCF传输在频域上的模拟结果，绿线为零色散波长，图2(c)是时域上的模拟结果，小图为带通滤波器滤波后的紫外脉冲，绿线为脉冲中心。
一方面，气压的变化直接导致了Kagome 光纤色散零点的变化，改变了色散波产生的相位匹配条件。随着脉冲在光纤中传输，气压逐渐降低，对应相位匹配的色散波波长也逐渐变短。因此，形成了很宽的色散波光谱，为极小的变换极限的脉宽提供了前提。
另一方面，气压的降低，使深紫外区域的色散越来越小，在光纤后半部分产生的色散波不会因为较大的色散被迅速展宽，由此保持了接近变换极限的脉宽。
简而言之，该文章，利用气压渐变，色散零点渐变的空心光子晶体光纤，实现了数飞秒脉宽，接近变换的极限的色散波产生。发明了一种强大的可调谐深紫外光源，使人们能以前所未有的光谱范围和时间分辨率进行超快速测量。
参考文献：
[1] Christian Brahms, Dane R. Austin, Francesco Tani, at el. Direct characterization of tuneable few-femtosecond dispersive-wave pulses in the deep UV. Optics Letters, 2019, 44(4):731~734.
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