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文 |溪知许a
编辑|溪知许a
前言
短脉冲的产生需要宽相位锁定频谱。早期通过在光纤中利用自相位调制将锁模激光的频谱展宽，然后通过衍射光栅和棱镜对来补偿组速度色散来获得短脉冲。已经成功产生了4.4飞秒的脉冲。 在电子运动时间尺度上进行超快测量需要产生亚飞秒的脉冲。
如果能在可见光区域中心产生持续几个周期的频谱，将会更受欢迎，因为脉冲持续时间将小于光周期，使得可以进行亚周期场的成型。因此，将实现对光电离和高次谐波产生中电子轨迹的直接精确控制成为可能。但要突破几飞秒的限制需要新的方法。
广谱共线拉曼发生
最近，在分子气体中进行广谱共线拉曼发生，产生了相互相干的等间距频率旁带，横跨几个光学带宽的八度。 据认为这些旁带可以用于合成短到亚飞秒的光脉冲。
拉曼技术依赖于通过稍微离共振驱动分子跃迁，从而激发单个分子超级叠加态来绝热准备接近最大的分子相干态。分子运动进一步调制驱动激光频率并产生非常宽的频谱，因此这个过程被称为“分子调制”。
通过相位锁定，可以产生一个具有拉曼频移频率的脉冲列。虽然目前通过高次谐波产生了孤立的阿秒X射线脉冲，但由于X射线光学的固有问题，这些脉冲难以控制。 此外，转换效率非常低。
另一方面，拉曼技术在近可见光谱区域内高效产生这种超短脉冲表现出潜力，这些脉冲不可避免地表现出单周期性质，并可能允许非正弦场的合成。
在拉曼技术中，当气体用作拉曼介质时，应用纳秒脉冲来准备最大的相干性。 当脉冲持续时间短于相干时间T2时， 介质的响应是高度瞬态的过程，即介质的拉曼极化在泵浦脉冲持续时间内不会达到稳态。
在这种瞬态受激拉曼散射区域，激发了一个大的分子相干响应。使用短脉冲的优势在于脉冲列中的脉冲数会比纳秒拉曼技术中减少。但是当使用单个飞秒泵浦时，强自相位调制抑制了拉曼发生。
当脉冲持续时间缩短为小于分子振动或旋转的一个周期时，达到了冲击式SRS区域。在这种区域，持续时间短于分子振动周期的强飞秒脉冲准备了振动激发态，然后较弱的延迟脉冲在线性区域内在激发介质中传播，并受到分子振动引起的折射率调制而发生斯托克斯和反斯托克斯旁带的产生。这种技术的优点是消除了寄生非线性过程，因为它们仅在泵浦脉冲持续时间内限制。
一个相关的方法是通过在体异性非共振介质中的级联四波混频产生超短脉冲。Crespo等人首次观察到高度非简并FWM的级联过程，其中薄薄的BK7玻璃片被用作透明异性凝聚介质， 并发现该过程也对应于几何上最小化的相位失配的相干散射效应。
Liu等人最近报道了在蓝宝石晶体中使用两束交叉的飞秒激光束进行级联FWM和多彩阵列的产生，这两束激光的频率相差一个氢气的旋转能级分裂。
通过改变两束输入光束之间的交叉角度，可以产生可调谐的多色飞秒脉冲。在固体介质中使用级联FWM技术进行高功率单周期脉冲合成，可在可见光和紫外光范围内实现， 这是最近由Weigand等人实现的。
他们使用了薄薄的熔融硅玻璃片，支持近单周期2.2飞秒的可见-紫外脉冲。这种方法的优势在于通过改变两个输入光束之间的交叉角度可以产生可调谐的多色飞秒脉冲。
最近还在1毫米厚的熔融硅玻璃中使用级联非简并FWM技术生成亚-20飞秒多彩激光脉冲。在固体介质中使用这种方法产生亚飞秒脉冲似乎非常有前途。
在铅钨酸盐和金刚石中使用两色超短飞秒脉冲驱动的旁带产生实验。有团队将解释例如泵浦光束之间的角度、两个泵浦频率之间的失谐、偏振等对产生过程的影响。有团队将描述如何通过使用一对时间延迟的线性调频脉冲实现高效的旁带产生。
利用拉曼晶体实现高效宽带产生的发展
由于固体中的相干寿命通常较短，当与室温固体一起工作时，不可避免地需要使用飞秒脉冲。 有团队研究了在铅钨酸盐和金刚石中使用两个50飞秒脉冲或一对时间延迟的线性调频脉冲驱动的宽带旁带产生。
类似的宽带产生也在金刚石中观察到。当使用两色飞秒脉冲时，还在许多其他类型的晶体中观察到了相干高阶反斯托克斯散射，如 YFeO3、KTaO3、KNbO3和TiO2， 近年来在拉曼晶体中合成超短，甚至是几周期的脉冲取得了很大进展。
例如去年Matsubara等人在室温下展示了使用多个CARS信号在LiNbO3晶体中产生的有希望的傅里叶合成器，并在1 kHz重复频率下产生了持续时间为25飞秒的孤立脉冲。最近他们刚刚在KTaO3中通过多色拉曼旁带产生10飞秒范围内的脉冲。
对固体晶体如拉曼晶体的使用，固体的高密度导致高拉曼增益。晶体中的高峰值拉曼截面导致更低的SRS阈值、更高的拉曼增益和更大的拉曼转换效率。此外当与室温晶体一起工作时，无需笨重的真空系统，因此可以设计出紧凑的系统。
在使用晶体时的困难在于旁带之间的相位匹配，因为晶体中的色散是显著的。报道了使用固态氢中强驱动拉曼相干进行的旁带产生，但生成过程非常接近于H2气体的过程，而固态氢是一种非常特殊的材料。
在其他固体材料中观察到较少旁带的产生也不是什么新鲜事。约20年前Dyson等人在设计用于其他目的的实验中观察到在石英上产生一个斯托克斯和一个反斯托克斯。
此后，有许多研究使用拉曼晶体构建拉曼激光器，通过使用SRS扩展了固态激光的光谱范围。 Basiev等人对晶体和光纤拉曼激光器进行了详细的综述。
铅钨酸盐晶体中由两个飞秒脉冲驱动的宽带光生成，它在0.33至5.5微米的光学透明度方面表现出色，具有高损伤阈值，并且是非吸湿性的。它也是用于利用ns或ps脉冲泵浦构建拉曼激光器的流行晶体。
铅钨酸盐样品尺寸为10×10×1毫米³，大表面垂直于晶体的a轴。铅钨酸盐在901 cm^−1处有一个强烈而窄的拉曼线，其线宽为ΔνR=4.3 cm^−1，相应的声子驰豫时间为T2≈2.5皮秒。
在过去当施加到铅钨酸盐上的脉冲远远比T2大（稳态阶段，脉冲持续时间τp>>T2）时，会产生几个高阶斯托克斯和反斯托克斯侧带。另外325 cm^−1处的另一个相对较强的拉曼线具有7.5 cm²的线宽，与某个晶体取向的901 cm^−1线的宽度几乎相当。
使用c，当两个波长为λ1= 620纳米，λ2= 588纳米，频率差为δω = 930 cm^−1的脉冲在晶体内相交形成4度的角度时，有团队观察到在PbWO4晶体中有效地产生了许多侧带。这些侧带在白纸屏幕上空间分离，并且具有与两个输入光束相同的偏振。 在距离晶体约25厘米的白纸上观察到多达20个反斯托克斯和2个斯托克斯侧带。
低阶侧带的频率间隔显示出丰富的结构，这是由于fs激光脉冲的大频谱宽度导致多个拉曼线的同时激发。高阶侧带之间的频率间隔逐渐减小，并且在测得的最高阶次处达到约450 cm^−1，这让人惊讶。
如果改变两个应用激光束之间的角度时，观察到反斯托克斯频率的显着变化，以及转换效率的变化。在铅钨酸盐中，对于δν= 930 cm^−1的最佳转换效率是在2度的角度下实现的。当角度进一步增加时，反斯托克斯转换效率减少，而反斯托克斯侧带的频率间隔增加。
显然，相位匹配在拉曼活性晶体中产生多个频谱侧带方面发挥着关键作用。尽管在较大的光束交叉角度下， 由于减少了光束重叠，转换效率预计会减少，但对于小于7度的角度， 相位匹配以及激发的拉曼跃迁的光谱仍然决定了转换效率和在薄晶体中产生的频率。
生成非常敏感于光束的偏振性。首先已经表明，在拉曼散射实验中，当晶体被一个偏振方向平行于晶体c轴的光束激发时，拉曼增益会显著增加。其次有团队发现当泵浦和斯托克斯光束具有平行偏振时，生成效率最佳，这两者要么平行要么垂直于c轴。
第三当泵浦光束的偏振与晶体不同轴平行时，生成的频率间隔也不同。如果将输入光束的偏振从S变为P时，观察到生成的频率间隔显着变化。可以推测这是由于色散造成的，因为当使用P偏振时，晶体的折射率大于no。
使用两个飞秒脉冲激发
使用飞秒脉冲泵浦，SRS增益增量明显依赖于积分截面，而不是峰值截面，这样在相位匹配时可以支配325 cm^−1线的激发。如果将泵浦和斯托克斯光束之间的角度减小到2.9度，并将频率差调整到小于600 cm^−1时，就可以观察到325 cm^−1模式的激发导致侧带的产生。
由于两个输入脉冲的小相位匹配角度，输出光束非常接近，并且在高阶侧带处不可分离。可以看到相位匹配和拉曼共振之间的相互作用， 如果将泵浦脉冲保持在760至780纳米之间进行调谐， 同时将斯托克斯脉冲固定在804纳米波长时，通过从408 cm^−1到615 cm^−1变化的失谐测量了22个反斯托克斯侧带和2个斯托克斯侧带的产生。
虽然在615 cm^−1的失谐远离拉曼共振，但泵浦和斯托克斯之间的相位匹配条件满足，导致了22个反斯托克斯和2个斯托克斯侧带的产生。 泵浦和探测场之间的相位匹配也很好，正如在图中显示的FWM信号。
由于泵浦和斯托克斯之间的频率间隔较小，以及fs脉冲的宽频谱宽度，所有较小的旋转模式都被激发，从而低阶侧带具有多个峰。这与激发901 cm^−1跃迁时产生的多峰相比不同。前者是由FWM和拉曼信号共存导致的。
高阶侧带的频谱间隔约为320 cm^−1。两个应用激光束之间的角度为2.5度，对应于晶体内1.2度。因此在晶体内可能通过共线配置产生侧带。
结论
如果在拉曼晶体中实现了有效的光频率生成，涵盖了红外、可见和紫外光谱区域，为产生超快脉冲提供了可能的新途径。大多数的实验工作为晶体中复杂的侧带生成过程提供了洞察力。
通过与常用的拉曼晶体PbWO4的工作，满足相位匹配条件非常重要，即非共线几何结构必须用于晶体中的有效生成。
通过调整失谐、角度和泵浦光束的偏振，有团队发现FWM和拉曼效应共存，生成的侧带频率对泵浦光束的角度和偏振非常敏感。有团队进行了一个干涉实验，证明了在晶体中生成的拉曼侧带之间的相互相干性。当第三个探测光束应用于同一平面中的泵浦和斯托克斯脉冲时，又观察到产生了更多的侧带，并且高阶侧带的能量增强。