[论文解读] Ultrafast supercontinuum generation in bulk condensed media (Invited Review)

A. Dubietis, G. Tamošauskas+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2017

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 8

一句话总结

这篇特邀综述总结了在块体凝聚态介质中实现超快超连续谱（SC）生成的最新进展，重点聚焦于高强度激光脉冲在透明固体中的飞秒丝化现象。研究展示了利用中红外泵浦实现从紫外到中红外的多八度频带超连续谱，通过后续压缩获得少周期脉冲，并凸显了适用于超快科学应用的鲁棒、对准不敏感的超连续谱光源。

ABSTRACT

Nonlinear propagation of intense femtosecond laser pulses in bulk transparent media leads to a specific propagation regime, termed femtosecond filamentation, which in turn produces dramatic spectral broadening, or superbroadening, termed supercontinuum generation. Femtosecond supercontinuum generation in transparent solids represents a compact, efficient and alignment-insensitive technique for generation of coherent broadband radiation at various parts of the optical spectrum, which finds numerous applications in diverse fields of modern ultrafast science. During recent years, this research field has reached a high level of maturity, both in understanding of the underlying physics and in achievement of exciting practical results. In this paper we overview the state of the art of femtosecond supercontinuum generation in various transparent solid-state media, ranging from wide-bandgap dielectrics to semiconductor materials and in various parts of the optical spectrum, from the ultraviolet to the mid-infrared. A particular emphasis is given to the most recent experimental developments: multioctave supercontinuum generation with pumping in the mid-infrared spectral range, spectral control, power and energy scaling of broadband radiation and the development of simple, flexible and robust pulse compression techniques, which deliver few optical cycle pulses and which could be readily implemented in a variety of modern ultrafast laser systems.

研究动机与目标

• 回顾飞秒超连续谱在块体透明凝聚态介质（包括绝缘体、半导体和宽禁带材料）中的最新进展。
• 分析光谱展宽背后的物理机制，特别是非线性介质中的飞秒丝化与自相位调制。
• 探讨实验进展，如中红外泵浦、光谱控制、功率与能量扩展，以及脉冲压缩技术。
• 证明通过超宽带超连续谱辐射的后处理压缩，可实现少光周期脉冲的可行性。
• 确立块体固态超连续谱光源作为超快应用中替代光纤系统的紧凑、高效且对准不敏感的方案。

提出的方法

• 利用聚焦于块体透明介质中的高强度飞秒激光脉冲，诱导自聚焦与丝化，驱动非线性光谱展宽。
• 采用数值模拟预测在中红外泵浦（如5 µm）下NaCl和KI等材料的超连续谱，显示其具备多八度频带展宽的潜力。
• 应用光谱相位表征与后处理压缩技术（如使用0.5 mm BaF2板），将八度频带超连续谱压缩为亚20 fs脉冲。
• 研究复杂光束剖面（贝塞尔光束、艾里光束、涡旋光束与奇异光束），揭示其对丝化过程与超连续谱发射模式的影响。
• 对比不同介质（如水、甲醇、蓝宝石、BaF2、CaF2）与不同输入光束类型下的实验结果，评估光谱展宽效率。
• 基于钛 sapphire、Cr:forsterite 和 OPCPA 激光器的实验数据，光谱覆盖从紫外到中红外，并通过光谱与时间表征验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中红外泵浦下，哪些关键物理机制使得块体凝聚态介质中实现多八度频带超连续谱生成成为可能？
• RQ2 非线性介质的选择（如宽禁带绝缘体、半导体、硫族化物晶体）在多大程度上影响光谱展宽与相干性特性？
• RQ3 在不依赖光子晶体光纤的前提下，块体超连续谱光源在光谱控制与能量扩展方面能达到何种程度？
• RQ4 复杂光束剖面（如贝塞尔、艾里、涡旋光束）在多大程度上影响丝化动力学与产生的超连续谱发射？
• RQ5 后处理压缩技术在多大程度上可实现从块体介质中宽带超连续谱辐射生成少光周期脉冲？

主要发现

• 在KCl和NaCl等材料中采用中红外泵浦（如5 µm）可分别实现从0.66 µm到22 µm以及从0.7 µm到7.6 µm的多八度频带超连续谱。
• 在0.5 mm BaF2板中对八度频带超连续谱进行后处理压缩，获得了20 fs脉冲，对应少于0.9个光周期。
• 块体固体中的飞秒丝化可保持高空间与时间相干性，从而实现优异的光束聚焦性与脉冲可压缩性。
• 由于贝塞尔光束具有非衍射性与环状能量分布，其启动丝化并实现显著光谱展宽所需能量比高斯光束高出10至100倍。
• 采用艾里光束与涡旋光束进行超连续谱生成时，会产生高度发散的背景式白光发射，同时保持原始光束的空间轮廓。
• 在CO2中，不同物相（气态、液态、超临界态）下的超连续谱生成表现出强烈的压强依赖性光谱形状，发射波段覆盖0.4–2.2 µm。