激光腔外的脉冲压缩

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第227页（3199字）

腔外压缩技术一开始就与光纤结下了不解之缘，光纤波导的独特性质决定了它在脉冲压缩中的地位。

理论研究表明，光脉冲在光纤中的传输可由下述方程进行有效描述：

式中A为脉冲包络函数，T为在以群速v_g运动的坐标系中的时间。值得指出的是(1)式没有考虑高阶非线性效应，当脉宽＜100fs时，需引入一些高阶修正项才能完整地描述。下面分析(1)式所及的主要效应：

右端第1项描述光纤的线性衰减，α为衰减系数。

现代光纤技术已使光纤衰减降至很低(例如0．2dB／km)且压缩过程中所用光纤较短(几米至几百米)，故衰减项可以忽略。

忽略衰减项时，(1)式通常称为非线性薛定谔(NLS)方程。

右端第2项描述光纤的群速色散(GVD)，（D为通常的色散参数)称为GVD参数。

所谓GVD是指不同波长λ的成分在光纤中传输群速v_R不一样的性质。

右端第3项描述光纤中一种非常重要的非线性光学效应：自相位调制(SPM)。非线性参数γ=n₂ω₀／CA_eff(A_eff为光纤有效截面)。

由于光纤中的非线性K_err效应(即光纤折射率n随光强I而变化，n=n₀+n₂I，n₀为线性折射率，n₂为K_err系数)，使光纤的折射率随光强Ι(t)、从而随时间t变化，经长度L的光纤后，将引起随时间变化的附加相位移动

△φ(t)=△nKL=n₂I(t)KL (2)

此即SPM效应，其中K=2π／λ为波数，λ为真空波长。SPM将引起随时间变化的附加频移

△ω(t)=－d［△φ(t)］／dt=n₂KLdI(t)／dt (3)

使脉冲包络的不同部位具有不同的频率，形成的啁啾脉冲(chirped pluse)。以下从4个方面介绍腔外脉冲压缩技术的实验情况。

光纤－光栅对压缩 光栅对作为一种常用的、较理想的色散延迟线是Treacy在1969年为克服被动锁模钕玻璃激光器输出的ps光脉冲的固有负啁啾而推出的。如图，入射角为γ，衍射角为(γ－θ)，选择光栅常数，以便只存在一级衍射，从而提高一级衍射效率，由光栅公式

sinγ+sin(γ－θ)=λ／d (4)

可知，频率越高(λ越小)，θ越大，光线两次经过aa′面获得的时间延迟τ越小，可以证明，当脉冲谱宽△ω与中心频率ω₀满足△ω《ω₀时，τ与ω成线性关系(脉宽＞100fs的脉冲通常能满足此条件)。其比例系数可通过改变光栅对间距L_g、光栅常数d和入射角γ而调整。

光纤－光栅对压缩原理是：由于光纤的SPM效应，在脉冲中心区形成“红头紫尾”的线性较好的正啁啾，正GVD使啁啾脉冲的低频前沿传输快，高频后沿传输慢，从而脉冲在时域展宽；光栅对使“红头”(低频)延迟多，往后叠，“紫尾”(高频)延迟少，往前赶，因啁啾和延迟均线性较好，故通过选择参数L_g，d，γ可使各频率分量几乎同时达到光栅对出射面aa′，从而使脉冲在时域得到最佳压缩。

光纤－光栅对压缩已由大量实验证明是压缩脉宽从ins到几十个fs，频率从可见到红外大范围光脉冲，产生到数个fs的最短光脉冲的有效手段。Gomes等对此作了较完整的综述。

特别提出的是Knox等利用此技术将620nm波长的40fs光脉冲压缩至8fs，压缩后脉冲谱宽为70nm，表明其傅里叶变换极限脉宽为6fs。后来Fork等利用棱镜组补偿高阶色散项，果然获得6fs的脉冲，这是目前世界上获得的最窄脉冲。此外，Zysset等利用双级光纤－光栅对将Nd：YAG激光器输出的1．06μm、90ps光脉冲压缩至200fs，获得450倍的总压缩比。

孤子效应压缩 借助光纤的SPM和负GVD的共同作用，在适当条件下，脉冲的时域和频域特性在光纤传输过程中将保持不变或发生周期性变化，对应的脉冲分别称为基阶孤子和高阶孤子。

理论给出基阶孤子能量P1孤子阶数N、孤子周期Z₀分别为

(5)

(6)

(7)

式中T₀为脉宽，P₀为峰值功率。求解NLS方程还可得光孤子的演化规律，基阶孤子形状永远不变；高阶孤子演化较复杂，但在孤子周期的前段均表现为变窄和分裂，这是SPM和GVD共同作用的结果。

SPM导致脉冲频谱的展宽，产生正啁啾，负GVD使正啁啾脉冲得到压缩。对基阶孤子，GVD和SPM相互平衡，脉冲形状和频谱均不发生变化，高阶孤子，首先SPM占主导地位，GVD不足以补偿由SPM引起的频谱展宽，从而脉冲变窄；随着脉冲的变窄，中心部分强度急剧增高，SPM使频谱发生显着变化，GVD作用随之增大，直到二者相当，脉冲变得最窄。高阶孤子的变窄特性正是孤子效应压缩的基础。

光纤－光栅－孤子效应压缩 光纤－光栅对压缩和孤子效应压缩作为两种基本的压缩技术是互补的，分别工作于不同的GVD区域，亦即工作于不同的光谱区，其分水岭为光纤的零色散波长λ₀，促成两种技术的是色散位移光纤技术。

此种技术可压缩λ_0d＜λ＜λ_ou的光脉冲，这只需在前级选用色散上移光纤，后级选用下移光纤或普通光纤，从而使各级工作于上文所述的相应的GVD区域即可。实验已证明这是获得高压缩比的有效技术。

全光纤压缩 实际上这是光纤－光栅对技术在λ_od＜λ＜λ_ou波长范围上的变形(实验所用典型波长为1．32μm)，它由正GVD和负GVD光纤直接对接而成，即用负GVD光纤代替光栅对色散延迟线。Blow Gouveia-Neto等分别在ps和fs区域进行了实验，虽然压缩比有待提高，但全光纤压缩器具有很多优点，主要是便于集成，操作方便，省去了大量精细的光路调整工作。

腔外脉冲压缩技术其巨大的(现实的和潜在的)应用价值是：它将窄的脉宽和高的脉冲功率合为一体。

压缩后脉冲的超短时间特性，使之成为一种探索超快现象的强有力的工具。

利用其超短的瞬时性质可以有效地对物质中某些最基本的过程(例如固体中的声子衰变、分子间的电荷转移等，多数发生在ps时间尺度上)进行“拍照”，PS或FS脉冲使这些超快物理过程变“慢”。皮秒脉冲已被作为一种基本的研究工具应用于物理学、化学以及生物学的广大领域。

皮秒脉冲及其与物质的相互作用已经是并且仍然是科技的一个前沿领域。

脉冲宽度在时域上压缩的同时，意味着脉冲功率在时域上的集中，这种瞬态的高功率性质使人们能够研究许多重要的瞬态非线性现象。此外，利用这一性质可以使粒子或受激态产物在短时间内达到相当的浓度，这可以用来操纵光闸、触发条纹相机或产生非线性光学效应。

腔外压缩技术的另一个最诱人的应用是在孤子通信研究中的应用。利用压缩技术可获得孤子源，研究孤子形成、传输特性，研究孤子的相互作用等。目前，国外孤子通信的系统理论和单元技术已日趋成熟，实验室已进行孤子在12000km距离上的传输试验，不仅如此，贝尔实验室准备投资10亿美元在5～10年内将孤子通信系统推向实用。

孤子通信的优点是高码率、长距离、无中继。它只要求进行周期性能量补偿就行，从而省去了一般光通信系统中用来完成脉冲重新整形、放大、检查误码和重新发送等项工作的复杂的光电组合的中继站，可实现全光通信。

(武汉大学翟华金、李宝其撰)