近日，科研领域传来好消息。杭州光机所罗素先进光波科学中心联合多方力量，包括国科大杭州高等研究院、中科院上海光学精密机械研究所和艾菲博 (宁波) 光电科技有限责任公司，取得了一项重大科研成果。他们将研究成果发表在国际顶尖光学期刊《Optica》上。

具体来说，该研究首次在空芯光子晶体光纤中实现近瓦量级的、百飞秒、2.8 μm 波段中红外脉冲的高效、高保真和高单模纯度的柔性传输。这一成果为相关领域的发展提供了新的可能，有望推动光学技术取得进一步突破。

研发背景

高功率中红外超快宽谱光源在众多领域有着重要应用。在先进光谱学中，它能帮助科研人员更精准地分析物质结构和成分；在材料精细加工方面，可实现对材料的高精度切割和雕刻；医疗手术里，能为医生提供更有效的治疗手段；遥感领域中，有助于获取更准确的地理和环境信息。

然而，激光传输方面的不足，极大地阻碍了中红外激光应用的进一步拓展。

传统传输方式存在诸多问题。空间光路传输时，会受到各种气体分子的吸收影响。气体分子对激光的吸收，使得输出光斑发生形变，脉冲质量也随之下降。这就导致在实际应用中，无法保证激光的稳定性和准确性，影响了相关领域的研究和工作效果。

实芯中红外光纤同样存在严重问题。在传输过程中，它会出现严重的非线性积累现象。这种非线性积累，会让输出的时频信号产生严重畸变。原本准确的信号变得混乱，使得基于这些信号的应用难以正常开展。

这些传输问题，使得高功率中红外超快宽谱光源在应用中受到很大限制。许多需要高精度、高稳定性激光的场景，因为传输问题无法得到满足。这不仅影响了现有技术的发展，也阻碍了新应用的开发。

破解难题

为解决传统中红外激光传输的难题，研究团队展开了积极探索。他们采用一段自制的单孔八环结构的 Hollow - core PCF，其长度为 5 m，用于传输中红外超快脉冲。Hollow - core PCF 具有显著优势，它具备低传输损耗、低非线性效应积累以及支持快速抽取真空的特点。这些优点实现了整体效率超 70% 的高效传输。

在频域方面，输出的光谱形状与输入基本一致，这表明 Hollow - core PCF 在传输过程中较好地保留了光谱特征。而在时域上，由于 Hollow - core PCF 带有少量的波导色散（ - 2.04 fs²/mm @ 2.8 μm），脉冲宽度从输入的 117 fs 展宽至 404 fs。这一现象是传输过程中不可避免的，但研究团队并未止步于此。

为了补偿色散，实验人员采取了进一步措施。他们加入 Ge 和 ZnSe 正色散材料，对由 Hollow - core PCF、耦合透镜和气室窗片引入的负色散进行补偿。经过努力，最终获得了脉宽 98 fs 的输出，这一数值接近变换极限脉宽 96 fs，同时峰值功率达到 170 kW。这一成果展示了研究团队在色散补偿方面的有效策略。

此外，实验人员还对输出的基模能量占比进行了估算。通过自相关迹，他们得出输出的基模能量占比超过 95%。这意味着输出的脉冲具有很高的单模纯度，能够满足许多对激光模式纯度要求较高的应用场景。

试验验证

为了更清晰地验证空芯光子晶体光纤（Hollow - core PCF）在传输中的优势，实验人员开展了对比实验。他们将该传输方案与同等长度的空间光路及实芯氟化物光纤进行对比。这样的对比实验能够直观地展现不同传输方式在中红外超快脉冲传输中的表现差异。

在实验中，实芯氟化物光纤暴露出明显问题。在超快脉冲传输过程里，其非线性效应过强。这种过强的非线性效应，导致脉冲发生时域分裂。原本完整的脉冲在时域上被分割，同时还伴随明显的频谱红移。这一系列现象严重影响了脉冲的质量和传输效果，使得实芯氟化物光纤在高峰值功率中红外超快脉冲传输中表现不佳。

相比之下，空芯光子晶体光纤展现出独特优势。它凭借低传输损耗、低非线性效应积累等特点，避免了实芯氟化物光纤出现的问题。实验结果有力地验证了空芯光子晶体光纤在高峰值功率中红外超快脉冲传输中的适用性和优越性。

该实验成果为宽带中红外超快光源在多个领域的应用奠定了良好基础。在光谱学领域，有助于更精准地进行物质分析；在红外对抗中，可提高设备的性能；在遥感方面，能获取更准确的信息。随着技术的进一步发展，宽带中红外超快光源有望在这些领域发挥更大作用。